Содержание к диссертации
Введение
Глава 1, Литературный обзор 9
1.1. Необходимость в ретроспективной дозиметрии 9
1.2. Методы ретроспективной дозиметрии 9
1.2.1. Сущность метода определения поглощенных доз внешнего фотонного излучения по спектрам ЭПР зубной эмали 12
1.2.2. Состав и строение тканей зубов человека 19
1.2.3. Метод математического моделирования, применяемый в целях ретроспективной дозиметрии 22
1.3. Относительная радиационная чувствительность зубной эмали человека к нешнему фотонному излучению 25
1.4. Заключение кгл, 1 31
Глава 2. Используемые методы и их адаптация к поставленным задачам 33
2.1. Программный комплекс MCNP-4B code для расчета эффективной и квивалентных доз фотонного излучения 33
2.1. Описание реалистичного фантома человека MIRD 37
2.2.1. Геометрия фантома 38
2.2.2. Материалы 38
2.2.3. Выч исление объемов ячеек методом Монте-Карло (MCNP-4B code) 44
2.2. Заключение к гл. 2 45
Глава 3. Изучение энергетической зависимости относительной радиационной увствительности эмали зубов человека к внешнему фотонному излучению 46
3.1. Изучение формирования поглощенной дозы в пластинке зубной эмали человека методом Монте-Карло 48
3.2. Расчет энергетической зависимости поглощенной дозы в образцах эмали зуба различной толщины 64
3.3. Вычисление дозовых коэффициентов конверсии для перехода от дозы, поглощенной в воздухе к дозе, поглощенной в образце зубной эмали 70
3.4. Сопоставление результатов расчета методом Монте-Карло с экспериментальными данными [94] 72
3.5. Заключение к гл. З 76
Глава 4. Оценка эквивалентных и эффективной доз методом ЭПР-дозиметрии по мали зубов человека , 78
4.1. Математическое моделирование внешнего изотропного облучения мужского антома 78
4.2 Облучение фантома человека, находящегося на поверхности земли, агрязненной Cs-137 и Cs-134 88
4.3 Заключение к гл. 4 92
Заключение . 93
Список использованной литературы ...97
- Сущность метода определения поглощенных доз внешнего фотонного излучения по спектрам ЭПР зубной эмали
- Описание реалистичного фантома человека MIRD
- Расчет энергетической зависимости поглощенной дозы в образцах эмали зуба различной толщины
- Облучение фантома человека, находящегося на поверхности земли, агрязненной Cs-137 и Cs-134
Введение к работе
Массовый индивидуальный дозиметрический контроль населения, проживающего на территориях, загрязненных радиоактивными выпадениями в результате аварий на радиационных объектах и при испытаниях ядерного оружия, а также, работников ядерной промышленности в аварийных ситуациях с помощью инструментальных методов не всегда может быть организован сразу после инцидента, либо отсутствует вовсе. Поэтому необходимо разрабатывать методы ретроспективной биофизической дозиметрии, основанные на количественной оценке стабильных и неэлиминируемых радиационных повреждений в организме человека. Одним из объектов такой оценки является эмаль зубов (ЭЗ), в кристаллической структуре которой под действием ионизирующего излучения с различной линейной передачей энергии образуются радиационно-индуцированные парамагнитные центры (РИ ПЦ), накапливающиеся и сохраняющиеся в течение всего времени существования сформировавшейся коронки зуба. Концентрацию РИ ПЦ можно оценить методом ЭПР-спектроскопии и использовать полученное значение для реконструкции индивидуальной накопленной дозы облучения (ЭПР-дозиметрия).
По сравнению с прямыми инструментальными методами этот метод ретроспективной оценки индивидуальных накопленных доз является новым, и его разработку нельзя считать завершенной. Имеется ряд проблем, касающихся интерпретации получаемых данных, а также их точности и достоверности, которые предстоит решить для того, чтобы метод ЭПР-дозиметрии получил широкое распространение.
В настоящее время по отработанной методике ЭПР-спектроскопии [59] мы можем определять дозу, поглощенную в эмали зубов (ЭЗ) человека- Для того, чтобы перейти от интенсивности ЭПР-сигнала зубной эмали к эффективным дозам в критических органах в реальных радиационных полях, характеризующихся, как правило, широкими спектрами фотонов, необходимо знать энергетическую зависимость радиационной чувствительности (РЧ) эмали зубов человека.
РЧ ЭЗ человека существенно зависит от энергии фотонов, особенно в области энергий менее 0,2 МэВ. Литературные данные по этому вопросу существенно различаются [50, 52-53, 59, 63-64, 67]. Поэтому сложно определить каким видом энергетической зависимости РЧ следует пользоваться на практике. Эти данные
требуют уточнения для того, чтобы разработать пути перехода от дозы облучения, накопленной эмалью зуба, к эквивалентным дозам в критических органах, а таїсже к эффективной дозе на все тело человека.
Исходя из всего вышесказанного, была сформулирована цель данной работы. которая заключалась в разработке методики перехода от доз, регистрируемых методом ЭПР-спектроскопии эмали зубов, к эквивалентным дозам в критических органах, а также к эффективной дозе в реальных условиях воздействия внешнего фотонного излучения на организм человека.
Для достижения поставленной цели были последовательно решены следующие задачи:
проанализированы и объяснены расхождения в экспериментальных данных по энергетической зависимости РЧ ЭЗ, полученных различными исследовательскими группами, а также даны практические рекомендации по учету РЧ ЭЗ в процессе калибровки;
определена энергетическая зависимость коэффициентов конверсии для перехода от интенсивности ЭПР-сигнала ЭЗ к эквивалентным и эффективной дозам в условиях, близких к реальным условиям облучения зуба (in situ) и сделаны практические рекомендации по учету данной зависимости;
предложена методика определения оценки эффективной энергии внешнего фотонного излучения по отношению показаний внешней и внутренней поверхности эмали коренного зуба.
Научная новизна. В отличие от ранее проведенных исследований в данной работе представлены систематизированные результаты изучения процессов формирования поглощенной дозы в образцах зубной эмали различной толщины; исследован ряд факторов, влияющих на результаты проведения ЭПР-дозиметрии. К числу этих факторов относятся: геометрическая и энергетическая зависимости поглощенной дозы в образце зубной эмали.
Расчетным путем проведена теоретическая оценка влияния энергетической зависимости РЧ ЭЗ на результаты ЭПР-дозиметрии. Обнаружено, что параметры энергетической зависимости коэффициентов конверсии существенно зависят от толщины образцов ЭЗ, от условий облучения (свойств окружающего ЭЗ материала и его толщины), а также от методов дозиметрии, используемых при нормировке. Все
7 эти эффекты по отдельности и в совокупности были проанализированы в данной работе и тем самым объяснены различия в экспериментальных данных, полученных различными исследовательскими группами.
Впервые в данной работе расчетным путем с использованием метода Монте-Карло, было произведено теоретическое исследование влияния ионизирующего излучения на поглощенную дозу в ЭЗ в реальных условиях облучения организма человека, что позволяет разработать пути перехода от значений индивидуальных накопленных доз, регистрируемых по ЭЗ методом ЭПР-спектроскопии, к эквивалентным дозам в критических органах, а также к эффективной дозе на все теле. Получены коэффициенты конверсии для перехода от дозы, поглощенной в ЭЗ к эквивалентным и эффективной дозам для мужского фантома MIRD, дополненного дентальной областью, с учетом транспорта вторичных электронов в ней.
В аварийных и неконтролируемых ситуациях спектр внешнего фотонного излучения неизвестен. Поэтому, в работе предложена расчетная методика определения эффективной энергии, воздействовавшей на организм человека по отношению показаний ЭПР-дозиметрии внешней и внутренней поверхностей коренных зубов.
Практическая значимость, В данной работе разработаны оптимизированные рекомендации по использованию ЭПР-дозиметрии по эмали зубов человека, включающие в себя интерпретацию полученных результатов и определение коэффициентов конверсии для перехода от индивидуальных накопленных доз в эмали зуба к эквивалентным дозам в различных органах и тканях, а также к эффективной дозе.
Разработанные рекомендации будут использованы при проведении медико-дозиметрических исследований у населения, проживающего на радиоактивно загрязненных территориях, и у участников ликвидации последствий аварии на ЧАЭС. Результаты работы буду использованы при разработке Методических указаний по практическому применению метода ЭПР-дозиметрии по эмали зубов для ретроспективной оценки индивидуальных накопленных доз.
8 Положения, выносящиеся на защиту. Автор защищает: практические рекомендации по учету РЧ эмали зуба в процессе калибровки интенсивности ЭПР-сигнала эмали зуба в процессе ретроспективной оценки поглощенных доз методом ЭПР-дозиметрии по эмали зубов;
методику оценки тканевых доз методом ЭПР-дозиметрии, используя дозовые коэффициенты конверсии для перехода от дозы, поглощенной в эмали зуба, к эквивалентным и эффективной дозам в условиях воздействия на организм человека внешнего фотонного излучения;
методику расчетной оценки эффективной энергии внешнего фотонного излучения неизвестного спектра, воздействовавшего на организм человека, по отношению показаний внешней и внутренней поверхностей эмали зуба.
Сущность метода определения поглощенных доз внешнего фотонного излучения по спектрам ЭПР зубной эмали
Сущность метода определения поглощенных доз внешнего фотонного излучения заключается в измерении интенсивности сигналов ЭПР от стабильных во времени РИ ПЦ, образующихся в кристаллической структуре эмали зубов человека в количествах, пропорциональных поглощенной дозе облучения.
Образование РИ ПЦ. Под действием ионизирующего излучения в биологических системах происходит ионизация и возбуждение молекул. Эти процессы в свою очередь приводят к формированию избытка свободных электронов и положительных зарядов, разрыву химических связей. Ионизирующее излучение вызывает в минерализованных тканях организма, наряду с другими процессами, образование ПЦ, концентрацию которых можно определить с помощью ЭПР-спектроскопии.
Неустойчивые молекулярные ионы распадаются на свободный радикал и ион. Положительно заряженные ионы вступают в ионно-молекулярные реакции с окружающими молекулами среды, что обычно приводит к образованию радикалов и протонированных молекул. Электроны после потери энергии до значений, меньших потенциала ионизации и электронного возбуждения молекул среды, могут захватываться молекулами, имеющими большое сродство к электрону, иногда с ее диссоциацией, а также образовывать сольватированный (в жидкой среде) или захваченный (в твердой среде) электрон. Отрицательные ионы, в конечном счете, рекомбинируют с положительными, образуя молекулы. Таким образом, все описанные выше процессы ведут к образованию ПЦ различных видов.
РИ ПЦ в кристаллической решетке могут быть распознаны как стабильные ПЦ, характеризующиеся асимметричным компонентным ЭПР сигналом (рис, 1.1).
Достаточно давно установлено, что наиболее уникальными дозиметричесішми характеристиками обладает эмаль зубов человека, РИ ПЦ которой являются наиболее стабильными. ПЦ, возникающие под действием ионизирующего излучения в минерализованных тканях при комнатной температуре, могут быть определены как ПЦ, локализованные в кристаллической решетке гидроксиапатита (основное вещество ЭЗ) [Саю(Р04)б(ОН)2]. ПЦ такого типа являются очень устойчивыми [44-45].
Образующиеся в минерализованных тканях ПЦ в основном локализуются в местах дефектов кристаллической решетки, таких как ионные вакансии и примесные центры. Таким образом, окончательная локализация энергии излучения происходит в кристаллических ловушках; образование ПЦ приводит к уменьшению свободной энергии системы, переводя ее в более устойчивое термодинамическое состояние.
Стабильность свободных радикалов и ПЦ, возникших под воздействием ионизирующего излучения зависит от их структуры, подвижности, и окружающей среды, В отличие от метаболически активных радикалов, эти радикалы могут существовать достаточно продолжительное время и при комнатной температуре. В
Работе [12] время жизни РИ ПЦ определено экстраполяцией в область низких температур и составило порядка 1 млн. лет при температуре 298 К.
Основные типы сигналов спектра ЭПР ЭЗ. Спектр ЭПР облученной ЭЗ представляет собой суперпозицию нескольких различных сигналов, отражающих в том числе химический состав эмали. Тем не менее, в целях дозиметрии выбирают два основных компонента спектра: РИ сигнал и сигналы, не являющиеся по своей природе радиационного происхождения. РИ ЭПР-спектра эмали состоит из сигналов различного происхождения, образованных радикалами CCV,
Наиболее доминирующим и стабильным из них является сигнал, образованный радикалами С02". Время жизни его оценено в 107 лет [28].
Прежние эксперименты показали, что существует, по крайней мере, два местоположения радикалов СО{, которые дают вклад в РИ сигнал ЭПР: на поверхности гидроксиапатита и внутри него. Например, гидроксил (ОН") или фосфат (РО4 "). Эти сигналы могут использоваться в целях реконструкции дозы.
Положение РИ ПІД в кристаллах гидроксиапатита в комбинации с некоторой доминирующей ориентацией (нормальной к поверхности зуба) кристаллов в матрице ЭЗ служит причиной значительной угловой анизотропии спектра ЭПР [37]. Этот эффект может повлиять на воспроизводимость измерений. Поэтому, рекомендуется измельчать образцы. Стабильность РИ ПЦ в гидроксиапатите определяется средним размером микрокристаллов [47-48, 61]. Это явление можно объяснить поверхностным эффектом: в случае более мелких микрокристаллов увеличивается относительное количество атомов, находящихся на поверхности по сравнению с большими микрокристаллами. Этот фактор определяет интенсивность процессов рекомбинации ПЦ, расположенных в приповерхностных слоях и имеющих прямой контакт с окружающей средой (рис. 1.2
Описание реалистичного фантома человека MIRD
Первоначальные гетерогенное и математическое представления тела человека (фантом MIRD - Medical Internal Radiation Dose Committee phantom) были предложены для вычисления доз внутреннего излучения, но могут быть использованы и для вычислений доз от внешнего излучения подобно более поздним вариантам фантома, описание которого предложено ниже.
Два разнополых взрослых математических фантома ADAM и EVA основаны на средних массах органов, приведенных в рекомендациях МКРЗ (Медицинская Комиссия по радиационной защите) для среднестатистического человека. Анализ данных средних масс органов, приведенных в МКРЗ, показал, что отношения масс соответствующих органов мужчины и женщины составляют в среднем 0,89. Для массы всего тела данное значение составляет 0,83. Так как фантом MIRX) был по своим размером близок к мужскому фантому, для получения параметров женского фантома было решено учесть данный коэффициент.
Нами в данной работе для вычислений был использован математический фантом взрослого мужчины MIRD [87], представленный на рис. 2.2. Все органы описаны квадратичными неравенствами, которые позволяют пользоваться методом Монте-Карло для моделирования взаимодействия различных типов излучения (фотонного, фотонно-электронного и нейтронного) с веществом фантома.
Туловище и руки представлены в виде эллиптических цилиндров; ноги - в виде усеченных конусов. Голова и шея представлены как эллиптический цилиндр, накрытый половиной эллипсоида. Рост мужского фантома составляет 170 см, вес -70 000 г. В данном фантоме было сделано дополнение - для расчета поглощенной дозы в ЭЗ человека, добавлена дентальная область.
Дентальная область смоделирована согласно математическим уравнениям (2.3), составленным в результате анализа данных [89], которые дают представления о геометрических размерах рассматриваемой области согласно среднестатистическим параметрам человека. Данная область описывается цилиндрическими поверхностями, имеющими эллиптическое сечение, где между внешним и внутренним слоями эмали расположен дентин, а также присутствует жевательная часть эмали.
Используемый фантом состоит из следующих типов материалов: костная ткань (скелет), легкие, МБТ, эмаль зуба и дентин. Элементный состав представлен в таблице 2.1. Толщина кожного покрова составляет 0.2 см и рассматривается как часть МБТ. Костная ткань включает в себя как сами кости - минерализованную составляющую, так и костный мозг, т.е. является гомогенной средой. Доза, поглощенная в красном костном мозге, рассчитывалась согласно рекомендациям, приведенным в [87].
Рис. 2.2. Математический фантом взрослого мужчины ADAM на основе MIRD (изображение получено с использованием программы Sabrina): а - вид спереди в целом, б - скелетная система, в - внутренние органы, г - дентальная область (вид сверху). Таблица 2.1. Элементный состав материалов, входящих в фантом MIRD.
Объемы ячеек, описывающих органы, входящие в реалистичный фантом MIRD, а, следовательно, и их массы, были рассчитаны согласно рекомендациям [80]. MCNP код не может вычислять объемы и площади асимметричных, многогранных или бесконечных ячеек. Поэтому в данных случаях возможно оценить вероятностный объем путем прослеживания пути излучения при прохождении через рассматриваемую ячейку. Для этого необходимо следующее: заполнить вакуумом все ячейки рассматриваемой задачи (VOID card); значимость фотонов во всех ячейках приравнять к единице; в качестве источника использовать сферу, излучающую во внутрь; в качестве типа расчетов использовать поток фотонов через ячейку (F4 — cell flux tally).
В этом случае поток будет пропорционален объему ячейки. Тогда в ячейках, чьи объемы известны, результаты расчета единичного потока выдадут единицу, а для ячеек, чьи объемы необходимо рассчитать, результаты расчета единичного потока выдадут необходимый объем ячейки. Рассматриваемый в данной главе программный комплекс MCNP-4B позволяет рассчитывать энергетический вклад в определенную ячейку ( F8 pulse height tally). Данный тип расчета является достаточно эффективным в фотонно-электронных проблемах, которые являются основными в данной работе. В случае облучения эмали зуба человека, доза, поглощенная в ней, формируется за счет вторичных электронов. Поэтому при решении задач, связанных с облучением ЭЗ фотонным излучением, необходимо уделять особое внимание транспорту вторичных электронов. Поэтому пользователь, прежде чем приступить к расчетам, должен убедиться, что задача, которую предстоит решить, корректно сформулирована. Также в данной главе описан математический фантом взрослого мужчины MIRD, дополненный дентальной областью. Уравнения, описывающие данную область, составлены на основе среднестатистических параметров человека. С помощью MCNP-4B были вычислены объемы несимметричных ячеек, описывающих органы фантома
Расчет энергетической зависимости поглощенной дозы в образцах эмали зуба различной толщины
Моделирование транспорта фотонов и электронов методом Монте-Карло (MCNP-4B) использовалось для вычисления доз, поглощенных в образцах ЭЗ различной толщины при облучении моноэнергетическими фотонами различных энергий. Поглощенные дозы рассчитывались для образцов ЭЗ в виде квадратных пластинок различной толщины (0,5, 1, 1,5, 2, 5 и 10 мм). Боковые размеры пластинок существенно превышали их толщину, что позволило пренебречь граничными эффектами. Вычисления проводили для двух случаев - облучение в вакууме и в условиях, моделирующих эксперимент работы [94]. Геометрия задачи представлена на рисунке 3.8. Во втором случае пластинки помещались между пластинками ПММА толщиной 4 мм в случае облучения фотонами энергией 1,25 МэВ и в воздухе для всего остального энергетического диапазона энергий. Окружающий данные системы воздух моделировался в виде двух кубов (спереди и сзади системы) с ребром 120 см в случае облучения фотонами энергией 0,662 МэВ и 100 см для всего остального энергетического диапазона. Источник фотонов моделировался как плоскопараллельныи мононаправленный, который имел такие же размеры что и ячейка, моделирующая воздух, испускающий моноэнергетические фотоны в диапазоне 0,01 - 1,25 МэВ. Тип расчета - F8 (см. гл. 2), который позволяет рассчитать энергетический вклад в ячейку (МэВ). Затем поглощенная энергия нормировалась на массу соответствующей ячейки и таким образом получали поглощенную дозу. Поглощенная доза в каждой ячейке нормировалась на энергетический флюенс фотонов, рассчитанный на поверхности пластинки ЭЗ, что позволило учесть ослабление излучения при прохождении через толщину ПММА и воздуха. Число испущенных фотонов выбиралось таким образом, чтобы достичь погрешности расчетов не более 1-2 %.
Энергетическая зависимость полученных значений поглощенных доз для пластинок ЭЗ различной толщины (кривые -1-6) представлены на рисунке 3.9.
Полученные величины является своеобразной характеристикой пластинки ЭЗ. В идеальном случае, при облучении моноэнергетическими фотонами (в отсутствии рассеянных фотонов), в условиях вторичного электронного равновесия, и когда эффектами ослабления по толщине образца можно пренебречь (случай тонкого образца), величина данного параметра становится сравнимой с массовым коэффициентом поглощения энергии (uen/p), характеризующим окружающий образец ЭЗ материал. Энергетические зависимости массовых коэффициентов поглощения энергии для ЭЗ и для воздуха [70] представлены на рис. 3.10 (кривые - 7 и 8 , соответственно). Причем, необходимо отметить, что при расчетах методом Монте-Карло, в частности MCNP-4B код используются практические такие же значения, что и в [70]. Результаты расчета, а также табличные величины [70] представлены нарис. 3.10.
Как видно из рис. 3.9, рассчитанные значения поглощенной дозы в ЭЗ существенно зависят от толщины образца. Особенно ярко эта зависимость проявляется в области низких энергий фотонов. Это явление можно объяснить сильным ослаблением плотности потока фотонов ЭЗ, что приводит к большому градиенту поглощенной дозы в толстом образце Э35 особенно для фотонов низких энергий. С уменьшением толщины пластинки ЭЗ значения поглощенных доз для образцов различной толщины стремятся к соответствующим значениям fiEi/p В области промежуточных энергий значения поглощенных доз незначительно превышают значения щ„/р. По-видимому, это объясняется преобладанием процесса накопления вторичного излучения (процессы рассеяния фотонов как от самой пластинки ЭЗ, так и от пластики ПММА) над процессом ослабления первичного излучения. Эффект накопления вторичного излучения существенен в области малых и промежуточных энергий, где ЭЗ демонстрирует сильную энергетическую зависимость щ„/р - рассеянные фотоны имеют меньшую энергию, и, следовательно, будут поглощаться веществом с большей вероятностью. Для случая (б - облучение в окружении пластинок ПММА) эффект накопления вторичного излучения в веществе ЭЗ более заметен, так как фотоны, рассеянные от окружающего тканеэквивалентного материала (пластинки ГТММА) проникают в пластинки ЭЗ и тем самым обеспечивают дополнительный вклад в дозу, поглощенную в образцах ЭЗ. Влияние окружающего материала на формирование вторичного электронного равновесия не значителен в области малых и промежуточных энергий (0,01-0,2 МэВ), так как длина пробега вторичных электронов мала относительно толщины образцов. Следовательно, электронное равновесие формируется на небольшой глубине от поверхности пластики ЭЗ,
Облучение фантома человека, находящегося на поверхности земли, агрязненной Cs-137 и Cs-134
В данной главе с помощью метода Моте-Карло были получены количественные соотношения между дозой, поглощенной в ЭЗ и дозой в различных критических органах, а также эффективной дозой для внешнего изотропного источника фотонов в диапазоне энергий от 0,015 до 1,25 МэВ. Полученные коэффициенты конверсии для перехода от дозы, поглощенной в ЭЗ к эквивалентным и эффективной дозам являются важным инструментом для ретроспективной оценки индивидуальной дозы методом ЭПР-дозиметрии по Все расчеты были выполнены для стандартного мужского фантома MIRD с добавленной дентальной областью. Параметры дентальной области были выбраны согласно среднестатистическим данным, приведенным в соответствующей литературе. Доза, поглощенная в ЭЗ, оказалась выше, чем в других органах и тканях при низких энергиях (0,03-0,2 МэВ) из-за большого сечения фотоэффекта материала ЭЗ. Очевидно, что эта зависимость дозы, поглощенной в ЭЗ, от энергии фотонов, должна быть учтена при ретроспективной оценке методом ЭПР-дозиметрии.
Казалось можным оценить эффективную энергию воздействующего излучения на организм человека по показаниям внешней и внутренней стенок ЭЗ. Случай, когда отношение показаний приблизительно равно 1 - означает, что эффективная энергия излучения была выше 200 кэВ. Если же это отношение становится больше 1, то вероятнее всего, что энергия излучения была ниже 200 кэВ и согласно нашим приведенным выше расчетам требуется поправка на РЧ ЭЗ
Очевидно, что в реальных условиях облучение человека происходит широким спектром вследствие многократного рассеяния фотонов. Поэтому нами были получены коэффициенты конверсии для реальных полей излучения, измеренных на территориях, загрязненных радиоактивными выпадениями в результате аварии на Чернобыльской АЭС.
Коэффициенты конверсии также были получены для случая облучения человека, находящегося на поверхности почвы, загрязненной изотопами Cs-137 и Cs-134. Но эти данные должны быть еще откорректированы с учетом таких факторов, как поверхность земли, толщина источника, тип почвы и т.п.
Данная работа была посвящена теме: "Расчётное обоснование метода оценки тканевых доз фотонного облучения по результатам ЭПР-дозиметрии эмали зубов человека". На основе анализа литературных данных был выявлен ряд проблем, касающийся интерпретации получаемых данных, которые были решены в соответствии со сформулированной темой и поставленными задачами.
Как следует из анализа литературных источников, экспериментальные данные, полученные различными исследовательскими группами, касающиеся вопроса относительной РЧ ЭЗ к фотонному излучению, значительно различаются. В данной работе выявлен ряд параметров, влияющих на эти результаты, и путем моделирования фотонно-электронного транспорта (метод Монте-Карло) объяснены различия в экспериментальных данных.
Методом Монте-Карло (MCNP-4B) проведена оценка влияния энергетической зависимости относительной РЧ ЭЗ (отношение дозы, зарегистрированной методом ЭПР-спектроскопии по ЭЗ человека, к дозе, поглощенной в воздухо- или тканеэквивалентном дозиметре) на результаты ЭПР-дозиметрии. Показано, что дозовые коэффициенты конверсии для перехода от дозы, поглощенной в воздухе к дозе в ЭЗ, существенно зависят от толщины образцов ЭЗ в диапазоне энергий менее 0,05 МэВ. Данный эффект объясняется ослаблением энергетического флюенса при прохождении через объем эмалевого образца.
Также методом Монте-Карло, путем моделирования фотонно-электронного транспорта, был изучен эффект вторичного электронного равновесия в образцах ЭЗ, облученных фотонами в вакууме и в присутствии окружающего материала. Показано, что при облучении фотонами с энергией 1,25 МэВ тонких образцов ЭЗ в окружении ПММА доза в ЭЗ увеличивается в 1,085 раза. На практике это приводит к переоценке отношения интенсивности ЭПР сигнала к дозе, поглощенной в ЭЗ при калибровке и соответственно к получению заниженных результатов оценки дозы, поглощенной в ЭЗ. Этот эффект обязательно должен учитываться при калибровке.
По. рассчитанным профилям средних поглощенных глубинных доз была исследована роль различных окружающих материалов, использующихся при калибровке. Показано, что лучшим материалом для этих целей является тот материал (например, алюминий), который обладает такими же поглощающими свойствами, что и ЭЗ. Толщина данного материала, должна быть выбрана с учетом максимального пробега вторичных электронов в данном материале при соответствующей энергии. Тогда доза, поглощенная в ЭЗ будет равна дозе, измеренной стандартным дозиметром, откорректированной на соответствующее отношение массовых коэффициентов поглощения энергии ЭЗ и материала дозиметра.
При сравнении результатов вычисления методом Монте-Карло с экспериментальными результатами показано, что при облучении ЭЗ энергиями фотонов в диапазоне 0,01-1,25 МэВ, ЭПР-доза ЭЗ, а значит и интенсивность ЭГТР сигнала ЭЗ прямо пропорциональна дозе, поглощенной в ЭЗ, которая была определена расчетным путем с учетом эффектов ослабления, вторичного электронного равновесия и спектра воздействовавшего фотонного излучения. Таким образом, отношение ЭПР-дозы ЭЗ к дозе, поглощенной в ЭЗ, не зависит от энергии фотонов в исследованном диапазоне.
Но в свою очередь, доза, поглощенная в ЭЗ, зависит от условий облучения самой ЭЗ, а именно от поглощающих свойств и толщины, окружающего её материала, а также от толщины образцов самой ЭЗ. Таким образом, получаем:
ПЭЗ = -ЭЯР где: D33 - доза, поглощенная в ЭЗ; D3np - ЭПР-доза ЭЗ, к - коэффициент пропорциональности.
Поэтому проблема калибровки ЭПР-дозы ЭЗ в итоге сводится к определению коэффициента пропорциональности к в условиях вторичного электронного равновесия, которое может быть достигнуто при двух условиях: когда поглощающие свойства материала, окружающего ЭЗ, при облучении, схожи с поглощающими свойствами самой ЭЗ, а его толщина равна максимальному пробегу вторичных электронов в нем при соответствующей энергии фотонов. Тогда при этих условиях доза, поглощенная в ЭЗ будет определяться следующим соотношением: Также в данной работе, показаны широкие возможности метода Моте-Карло в
Амках ретроспективной дозиметрии. В частности, путем моделирования фотонно-электронного транспорта (MCNP-4B code) были получены коэффициенты конверсии (Табл. 4.1 и 4.5 - 4.6), с помощью которых можно осуществить переход, от дозы, зарегистрированной методом ЭПР-спектроскопии по ЭЗ человека, к эквивалентным дозам в различных критических органах, а также к эффективной дозе. Все расчеты были выполнены для стандартного мужского фантома MIRB с добавлением дентальной области, геометрические уравнения которой, были записаны в соответствии со среднестатистическими параметрами реального человека. Расчеты проведены для изотропной и поверхностной геометрий. Результаты расчетов эквивалентных доз для изотропной геометрии хорошо согласуются с данными, представленными в [93], что говорит о корректно смоделированном фантоме. Собственные расчеты были выполнены для поверхностной геометрии, для случая загрязнения поверхности земли изотопами Cs-137 и Cs-134. Коэффициенты конверсии для данного случая представлены в табл. 4.5-4.6. Причем энергетическая зависимость коэффициентов конверсии, полученная в условиях свободной геометрии, отличается от таковой для случая облучения ЭЗ в фантоме человека (рис. 3.11-6 и 4.2). В случая облучения пластинки ЭЗ в условиях вторичного
