Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 11
1.1. Потребность в ретроспективной дозиметрии 11
1.2 Задачи и актуальные проблемы ретроспективной дозиметрии нейтронов методом
ЭПР-спектроскопии 14
1.3. Решение вопроса реконструкции доз нейтронов методом ЭПР-спектроскопии.... 18
Методики, используемые для оценки интенсивности РИ сигнала и его калибровки 18
Разработка метода определения поглощенных доз внешнего нейтронного излучения по результатам ЭПР-дозиметрии 22
Относительная радиационная чувствительность эмали зубов человека к воздействию нейтронного излучения 26
Роль вторичного гамма-илучения при регистрации методом ЭПР 32
Сравнительный анализ характеристик зубных тканей как возможных объектов ЭПР дозиметрии нейтронов 36
Применение математического моделирования внешнего облучения в целях ЭПР-дозиметрии нейтронов 40
Заключение к гл.1 48
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 50
2.1. Методики, используемые в ЭПР дозиметрии 50
Приготовление образцов эмали и дентина 51
ЭПР спектрометры и параметры записи спектров 52
Обработка спектров ЭПР 53
Определение погрешности ЭПР измерения 54
Источники нейтронов 55
Дозиметрическое обеспечение экспериментов 57
2.3.1. Дозиметрия нейтронов и гамма-излучения 57
2 32 Описание физического фантома человека RANDO 58
2.4. Математическое моделирование нейтронного облучения 59
2.4 1. Программный комплекс MCNP-4B в рамках оценки доз, поглощенных в зубной эмали 59
2.4.2. Описание математического фантома человека MIRD 61
2.4. Заключение к гл.2 64
ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЗАВИСИМОСТИ
ОТНОСИТЕЛЬНОЙ РАДИАЦИОННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЭМАЛИ
ЗУБОВ ЧЕЛОВЕКА К ВНЕШНЕМУ НЕЙТРОННОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ 65
3.1. Экспериментальное определение относительной радиационной чувствительности
эмали зубов человека к нейтронам различных энергий 70
3.2. Исследование влияния фактора внешних протонов отдачи, отвечающего за
радиационный выход ПЦ в эмали зубов 75
3.2.1 Чувствительность ЭЗ к нейтронам при облучении в водород-содержащей среде 76
Осуществление перехода к значениям ОРЧ для случая облучения порошка эмали 82
Оценка влияния экспериментальных условий облучения на ОРЧ ЭЗ 84
3.3. Построение энергетической зависимости относительной радиационной
чувствительности эмали зубов человека 91
3.4 Заключение кгл.З 92
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА СУММАРНЫХ ТКАНЕВЫХ ДОЗ МЕТОДОМ
ЭПР-ДОЗИМЕТРИИ ПО ЭМАЛИ ЗУБОВ ЧЕЛОВЕКА 94
4.1. Математическое моделирование внешнего изотропного облучения фантома для
расчета коэффициентов перехода 94
Исследование ОРЧ вторичного гамма-излучения при облучении тела человека нейтронами 100
Учет эффекта замедления нейтронов при определении вклада нейтронной компоненты в регистрацию суммарной поглощенной дозы методом ЭПР-спектроскопии 103
Определение вклада вторичного гамма-излучения в регистрируемое значение дозы 106
4.2. Вычисление коэффициентов для перехода от дозы, поглощенной в МБТ к дозе,
поглощенной в образце зубной эмали 108
4.3. Сопоставление результатов расчета методом Монте-Карло с экспериментальными данными для
случаев облучения эмали зубов в ткане-эквивалентных фантомах ///
4.4. Применение ЭПР-дозиметрии при определении поглощенных доз для некоторых
распространенных на практике спектров 115
4.5 Заключение к гл. 4 117
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЕНТИНА
ЗУБОВ ЧЕЛОВЕКА ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ЭПР-ДОЗИМЕТРИИ НЕЙТРОНОВ 118
5.1. Предпосылки к использованию дентина в реконструкции дозы методом
спектроскопии ЭПР 118
5.2. Проведение экспериментальной оценки дозы по показаниям эмали и дентина
зубов человека 119
5.3 Заключение к гл.5 122
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 124
ВЫВОДЫ 128
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 129
ПРИЛОЖЕНИЕ 139
Спектры нейтронных источников 139
Вывод формул для травления образцов эмали 142
Значения коэффициентов перехода 144
Введение к работе
В последние десятилетия из-за радиационных инцидентов, связанных с неправильным использованием и утилизацией источников излучений большое количество людей подверглось значительному воздействию ионизирующего излучения различных видов. В ряде случаев это происходит случайно, когда индивидуальный дозиметрический контроль отсутствует. Следовательно, ретроспективное определение дозы, поглощенной в биологических тканях и органах тела человека имеет большое значение для анализа радиационного риска, является важной частью многих радиационно-эпидемиологических исследований и актуальной проблемой современной радиобиологии. В настоящее время, одним из наиболее часто выбираемых для ретроспективной оценки индивидуальных накопленных доз методом, является метод на основе спектроскопии электронного парамагнитного резонанса эмали зубов человека, удалённых по медицинским показаниям (ЭПР-дозиметрия по эмали зубов).
Несмотря на его многолетнее, успешное использование для дозиметрии гамма-излучения и широкое распространение, этот метод ретроспективной оценки накопленных доз является относительно новым, и требует дальнейшего усовершенствования. Одной из проблем, касающихся интерпретации получаемых данных, а также их точности и достоверности, которые предстоит решить для того, чтобы расширить область применения метода ЭПР-дозиметрии, является вопрос его использования для дозиметрии нейтронного излучения.
Решение этой задачи связано с трудностями, обусловленными, в первую очередь, различиями в механизмах взаимодействия излучений различных типов с мягкой биологической тканью (МБТ) и зубной эмалью (ЗЭ). Поэтому возникает вопрос - как интерпретировать результаты измерения методом ЭПР-дозиметрии при облучении нейтронами и при смешанном облучении нейтронами и другими видами излучения.
Исследования такого рода необходимы для определения индивидуальных доз облучения методом ЭПР-дозиметрии и оценки вероятности проявления радиобиологических эффектов у людей, пострадавших в результате аварий на радиационных объектах СНГ и других стран, а также лиц, пострадавших при ядерной бомбардировке японских городов Хиросима и Нагасаки.
Для того чтобы ЗЭ можно было использовать в качестве дозиметра, необходимо знать ее радиационную чувствительность (РЧ) ко всем составляющим радиационных
полей. В случае наличия нейтронной компоненты в реальных радиационных полях, она, как правило, характеризуется широким спектром. Литературные данные свидетельствуют, что РЧ эмали к нейтронам значительно зависит от их энергии [20, 90, 97, 112]. Исследования по определению РЧ эмали к нейтронам, проведенные различными авторами, неоднородны как по условиям проведения экспериментов, так и по полученным результатам, которые подчас существенно различаются [20, 44, 45, 112]. Поэтому сложно определить, каким видом энергетической зависимости РЧ следует пользоваться на практике. Имеющиеся данные по РЧ эмали к нейтронам требуют уточнения для разработки метода перехода от интенсивности радиационно-индуцированного (РИ) сигнала ЭПР в эмали к дозе облучения, поглощенной эмалью зуба, а также к дозе, поглощенной МБТ.
В реальных условиях, при облучении in vivo, зубная эмаль будет подвергаться воздействию вторичного излучения, образованного при взаимодействии нейтронов с мягкой биологической тканью. Наибольший интерес с точки зрения ЭПР-дозиметрии представляют внешние протоны отдачи и вторичное гамма-излучение. В частности, при облучении тепловыми нейтронами до 80-90% поглощенной телом человека дозы формируется посредством поглощения вторичного гамма излучения [114], основным источником которого является реакция радиационного захвата ядрами водорода. Протоны и ТЯО высоких энергий могут образовываться при рассеянии быстрых нейтронов на ядрах в прилегающем к ЭЗ слое ткани, а также в ядерных реакциях. Воздействие данных факторов на эмаль должно приводить к существенному увеличению выхода парамагнитных центров в эмали на единичный флюенс нейтронов и, таким образом, к росту радиационной чувствительности. В настоящее время, вклад как внешних протонов отдачи, так и вторичного гамма-излучения в дозу, регистрируемую методом ЭПР-спектроскопии по эмали зубов слабо изучены и требуют рассмотрения.
В ряде случаев облучение организма человека происходит излучением смешанного гамма-нейтронного состава, что требует специального анализа для определения получаемой дозы. В этой связи является актуальным вопрос о возможности разделения вкладов гамма и нейтронного компонентов в индивидуальную накопленную дозу.
При большинстве чрезвычайных ситуаций радиационного происхождения количество сведений очень ограничено. Зачастую не ясно, имело ли место хроническое или однократное, внешнее, внутреннее или комбинированное облучение, не известен состав радиоактивных выпадений. Следовательно, требуется исследование применимости метода ЭПР-дозиметрии в радиационной ситуации при отсутствии других дозиметрических и радиобиологических данных.
Исходя из всего вышесказанного, была сформулирована цель данной работы, которая заключается в разработке методики перехода от интенсивности РИ сигнала, регистрируемого методом ЭПР-спектроскопии ЭЗ, к дозам, поглощенным в ЭЗ и в МБТ в условиях воздействия нейтронного излучения на организм человека.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
определение радиационной чувствительности ЭЗ к нейтронному излучению для нейтронов различных энергий, построение энергетической зависимости РЧ ЭЗ, на основе собственных и полученных другими исследовательскими группами данных;
установление вкладов факторов, отвечающих за радиационный выход ПЦ в ЭЗ под действием нейтронного излучения разной энергии (внешние протоны отдачи, вторичное гамма излучение);
определение энергетической зависимости коэффициентов перехода от дозы в ЭЗ к поглощенным дозам в органах и тканях тела человека в условиях, близких к реальным условиям облучения зуба;
оценка возможности разделения вкладов нейтронного и гамма компонентов в суммарную поглощенную дозу, в условиях воздействия на организм человека смешанных гамма-нейтронных полей излучения, путем использования совместных ЭПР-измерений дентина и эмали.
Научная новизна.
В данной работе впервые представлены систематизированные результаты изучения различных факторов и физических процессов, влияющих на формирование РИ сигнала ЭПР в ЗЭ под воздействием радиоактивного излучения с присутствием нейтронного компонента.
Экспериментальным путем определена ОРЧ эмали к нейтронам различных энергий и проведен анализ аналогичных данных, полученных другими авторами. Обнаружено, что результаты существенно зависят от энергии нейтронов, вида образцов
эмали (целый зуб, порошок с различным размером частиц) и условий облучения (окружающего образцы материала). Проведенный теоретический анализ данных эффектов позволил объяснить некоторые различия в экспериментальных данных разных авторов и провести оценку энергетической зависимости ОРЧ эмали.
Впервые в данной работе расчетным путем (с использованием метода Монте-Карло и фантома MIRD (Medical Internal Radiation Dose Committee phantom), дополненного дентальной областью) был оценен вклад вторичного гамма-излучения в суммарную дозу нейтронов, что сделало возможным переход от значений индивидуальных накопленных доз, регистрируемых методом ЭПР-спектроскопии, к дозам поглощенным МБТ. Проведен расчет коэффициентов для коррекции получаемых методом ЭПР-дозиметрии значений доз для встречающихся в реальных условиях облучения спектров нейтронов.
Впервые исследована возможность совместного исследования дентина и ЗЭ для определения состава смешанного гамма-нейтронного излучения, воздействовавшего на организм человека. Впервые определены условия, определяющие границы применимости метода ЭПР при определении индивидуальной дозы смешанного гамма-нейтронного излучения.
Практическая значимость.
Актуальность исследований методом ЭПР-спектроскопии обусловлена необходимостью получения дозиметрических оценок, необходимых для анализа радиобиологических эффектов, индуцированных радиацией и уточнения коэффициентов риска отдаленных медицинских последствий, для того чтобы создать научную базу для принятия решений о мерах социальной и медицинской защиты людей.
В данной работе разработаны рекомендации по использованию ЭПР-дозиметрии для случая воздействия внешнего нейтронного излучения, включающие в себя интерпретацию полученных результатов и определение коэффициентов перехода от индивидуальных накопленных доз в эмали зуба к поглощенным дозам в различных органах и тканях.
Разработанные рекомендации будут использованы при проведении медико-дозиметрических исследований у населения, проживающего на радиоактивно загрязненных территориях, у участников ликвидации последствий аварии на ЧАЭС находившихся в зоне воздействия нейтронного излучения. Результаты работы будут
также использованы при разработке Методических указаний по практическому применению метода ЭПР-дозиметрии по эмали зубов для ретроспективной оценки индивидуальных накопленных доз.
Положения, выносящиеся на защиту. Автор защищает:
собственные экспериментальные данные по ОРЧ эмали к нейтронному излучению, а также построенную с их помощью ее энергетическую зависимость;
существование эффекта образования ПІД в эмали зубов под действием внешних протонов отдачи биологической ткани, а также способ учета его вклада в определяемое значение ОРЧ эмали;
результаты расчета поглощенных доз нейтронов и вторичных фотонов в ЭЗ, коэффициентов перехода от значения дозы определяемого по ЭЗ, к поглощенным дозам в органах и теле человека в условиях воздействия на организм человека внешнего нейтронного излучения;
возможность определения наличия высокоэнергетического нейтронного компонента по отношению доз ЭПР дентина и эмали 34.
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка использованной литературы и приложения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 12 таблиц, список цитированной литературы содержит 114 источников, из них 22 на русском и 92 на английском языках.
