Содержание к диссертации
Введение
I. Анализ методов исследования характеристик полей радиационного воздействия на ускорителях высоко-энергетичных тяжелых заряженных частиц.
I.I. Краткая характеристика источников ускоренных заряженных частиц, используемых в радиобиологических экспериментах 7
1.2.Методы исследования формирования поглощенной дозы 9
1.3.Методы исследования спектральных характристик полей облучения на ускорителях високоенергетичних тяжелых заряженных частиц И
1.4.Обоснование задачи исследований ^6
2.Разработка методов спектрометрии для исследования характеристик полей радиационного воздействия на пучках синхрофазотрона.
2.1. Метод спектрометрии заряженных частиц с использованием детекторов шаровой формы
2.2.Метод спектрометрии вторичных заряженных частиц с помощью "телескопа" с детектором шаровой формы 28
2.3.Метод измерения распределений линейной передачи энергии вторичных заряженных частиц 32.
2.4.Метод спектрометрии и идентификации вторичных заряженных частиц 35
3.Разработка аппаратуры для исследования спектральных характеристик полей радиационного воздействия на пучках высокоэнергетичиых тяжелых заряженных частиц.
3.І. Разработка спектрометра с детектором шаровой формы
3.2.Разработка спектрометра- "телескопа" с изотропным детектором 46
3.3.Разработка спектрометра линейной передачи
энергии 5І
3.4.Разработка спектрометра вторичных заряженных частиц с идентификацией их по заряду 55
4.Исследование спектральных характеристик и формирования поглощенной дозы на пучках тяжелых заряженных частиц высокой энергии.
4.1 .Исследование формирования поглощенной дозы в фантомах биообъектов 56
4.2.Экспериментальное исследование спектральных характеристик вторичных заряженных частиц в облучаемых объектах 68
4.3.Анализ и обсуждение результатов экспериментальных исследований 82
5.Создание канала пучков тяжелых заряженных частиц для радиобиологических исследований на синхрофазотроне.
5.1. Физико-технические характеристики канала пучков ионов
5.2.Дозиметрическое оборудование канала пучков ^
5.3.Спектрометрическое оборудование канала пучков 97
5.4.Перспективы развития канала пучков высокоэнергетичных тяжелых заряженных частиц для радиобиологических, исследований 99
Выводы
Литература
- Краткая характеристика источников ускоренных заряженных частиц, используемых в радиобиологических экспериментах
- Метод спектрометрии заряженных частиц с использованием детекторов шаровой формы
- Разработка спектрометра с детектором шаровой формы
- .Исследование формирования поглощенной дозы в фантомах биообъектов
- Физико-технические характеристики канала пучков ионов
Введение к работе
Экспериментальные исследования радиационной обстановки в космосе, проведенные в течение двух последних десятилетий, показали, что человек при длительных космических полетах (например, при работе на орбитальных станциях) подвергается опасности получить радиационные повреждения. Основными радиационно опасными компонентами космического излучения являются высокоэнергетичные (до
18 10 эВ) протоны, альфа-частицы и более тяжелые ядра, вплоть до - железа [ll . Биологическая эффективность протонов в ГэВ-ном диапазоне энергий зависит уже не столько от линейных потерь энергии первичного излучения, сколько от характеристик рождающегося в объекте и материалах, его окружающих, вторичного излучения. Тяжелые же заряженные частицы, несмотря на относительно малую их интенсивность, вследствие высокой биологической эффективности, вносят существенный вклад в полную эквивалентную дозу. Еасчеты показывают [ll , что около половины поглощенной дозы обуславливается ядрами тяжелее протонов; вклад в биологическую дозу этих ядер с учетом их биологической эффективности составляет свыше 80$.
В связи с этим возникла задача постановки экспериментов с целью изучения биологического действия высокоэнергетичных тяжелых заряженных частиц. Такие эксперименты в наземных условиях можно ставить на ускорителях тяжелых заряженных частиц. Для проведения этих экспериментальных работ необходимо создать физические условия, отвечающие определенным требованиям.
В середине семидесятых годов перед наш была поставлена задача по созданию на синхрофазотроне ЛВЭ ОйЯИ физических условий для проведения радиобиологических экспериментов, отвечающих следующим требованиям: размер поля облучения в месте проведения экспериментов должен обеспечивать облучение различных биообъектов, включая мелких лабораторных животных, для чего необходимо иметь дозное поле порядка 30 * 50 см ; равномерность дозного поля по площади облучаемого объекта должна быть в пределах ± 10$; вклад вторичного излучения по дозе в поле облучения не должен превышать 10$; мощность дозы в поле облучения должна изменяться в пределах 0,005 * 10 рад/сек; временная неравномерность интенсивности от цикла к циклу должна быть не хуже 30$;
При этом должна быть обеспечена возможность измерения характеристик дозных полей, мониторирования пучка частиц и контролирования процесса облучения биологических объектов.
Таким образом, целью настоящей работы является создание условий радиационного воздействия для проведения радиобиологических экспериментов на пучках синхрофазотрона ЛВЭ ОйЯИ.
Для достижения поставленной цели потребовалось на сформированном пучке тяжелых заряженных частиц необходимых размеров экспериментально исследовать дозовые характеристики полей облучения и дозовые распределения в фантомах облучаемых биообъектов, разработать метод расчета дозы высокоэнергетичных тяжелых заряженных частиц в тонких слоях ткани, разработать методы спектрометрии, позволяющие оперативно проводить исследование энергетических спектров вторичных заряженных частиц, и соответствующие спектрометры, экспериментально исследовать дозовый вклад вторичных заряженных частиц с помощью созданных спектрометров, а также разработать комплекс устройств и аппаратуры для физико-технического обеспечения радиобиологических экспериментов на канале пучков ионов синхрофазотрона.
Результаты этой работы могут быть использованы и для проведения других прикладных исследований таких, ка,к исследования по физике защиты и экспериментальные работы по определению радиационной стойкости материалов и конструкций, на пучках синхрофазотрона ЛВЭ ОйЯИ, а также при проведении различных прикладных исследований на других ускорителях тяжелых заряженных частиц.
Краткая характеристика источников ускоренных заряженных частиц, используемых в
Впервые возможность применения пучков ускоренных тяжелых заряженных частиц для радиобиологических экспериментов исследовал Н.пЛлм рол в 1946 году [ 2] . Он дал первую дозиметрическую характеристику пучков протонов, дейтонов и альфа-частиц, ускоренных до энергий свыше 100 МэВ. Широким фронтом радиобиологические исследования с пучками ускоренных тяжелых заряженных частиц начались после 1947 года с вводом в строй ускорителя в Беркли (протоны, альфа-частицы с энергией 180 340 МэВ/нукл.), В дальнейшем радиобиологические исследования проводились в Калифорнийском университете (с 1948 года), в Упсальском университете (протоны, 190 МэВ, с 1956 года), в Чикагском (с 1957 года) и Гарвардском (с 1959 года) университетах (протоны, 160 МэВ). С 1952 года в Калифорнийском и Йельском университетах исследуется биологическая эффективность ускоренных до энергии 10 МэВ/нукл. тяжелых заряженных частиц вплоть до аргона [3] . В настоящее время радиобиологические эксперименты с тяжелыми заряженными частицами проводятся на синхротроне в Прич-стоне (с 1971 года, 278 530 МэВ/нукл.) [4, 5І, на бэватроне в Беркли (0,28 2,6 ГэВ/нукл.) [б] , ас 1974 года на бэвалаке (су-перхилак используется в качестве инжектора для бэватрона) [ 7] , где уже можно получать пучки ионов вплоть до железа с энергиями от 0,1 до 2,1 ГэВ/нукл. с интенсивностью 10 частиц/цикл.
Подобные исследования в Советском Союзе проводятся с 50-х годов с вводом в строй синхроциклотрона в Объединенном Институте ядерных исследований (протоны, 660 МэВ). В 60-х годах для радиобиологических исследований начали использовать циклотрон УМЗИ-300 в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ, позволяющий ускорять тяжелые заряженные частицы вплоть до аргона до энергии 10 МэВ/нукл. В настоящее время аналогичные исследования проводятся в ЦЙИРРИ (синхро 8 фазотрон в Гатчине, протоны, 1 ГэВ) и создаются физические условия для проведения радиобиологических исследований в НПО (Киев, циклотрон ИЯИ, протоны, 20 80 МэВ).
Первой важной задачей, которую приходится решать экспериментаторам, приступая к созданию условий для проведения радиобиологических исследований, является формирование дозного поля с заданными параметрами (размер, равномерность, мощность дозы, энергия). Из ускорителей обычно выходит узкий пучок заряженных частиц, позволяющий облучать биологические объекты небольших размеров [ 8 10 ] . Для формирования дозных полей больших размеров с приемлемой равномерностью прибегают к специальным методам. Наиболее часто для этого используют многократное рассеяние заряженных частиц в фильтрах [7, 11 18] . Основным достоинством этого метода является его простота. Однако нарушение моноэнергетичности и появление вторичного излучения, генерируемого в поглотителе, вынуждает при наличии соответствующих условий применять другие методы, наиболее простым из которых является дефокусировка пучка с помощью электромагнитных линз [19] .
Для радиобиологических исследований необходимо иметь пучки ускоренных заряженных частиц различных энергий, с тем: чтобы охватить возможно более широкий диапазон по линейной передаче энергии в одинаковых условиях. Эта задача автоматически решается на ускорителях с регулируемой энергией. Если такой возможности нет, то приходится прибегать к уже упомянутым выше фильтрам, но уже с целью торможения первичного пучка до требуемых энергий. Однако такая возможность имеется лишь в определенном диапазоне энергий первичных ускоренных частиц (примерно до 0,5 ГэВ/нукл.). При больших энергиях становится существенным вклад вторичного излучения, а ослабление первичного пучка из-за ядерных взаимодействий достигает порядка при торможении, например, протонов с энергией 0,7 ГэВ до 0,05 ГэВ [20] .
Таким образом, формировать поле облучения необходимых размеров и равномерности на пучках высокоэнергетичных тяжелых заряженных частиц можно как с помощью дефокусировки пучка магнитными системами (здесь возможно также сканирование пучком поля облучения), так и с помощью рассеивающих фильтров, в то время как изменение энергии необходимо осуществлять методами, связанными с ускорительной техникой, уже начиная с энергии первичного пучка, равной 0, 5 1 ГэВ/нукл, поскольку торможение в поглотителе при этих энергиях малоэффективно.
Метод спектрометрии заряженных частиц с использованием детекторов шаровой формы
Для спектрометрии заряженных частиц с широким угловым распределением, характерным для вторичного излучения, образующегося в фантомах облучаемых биологических объектов, желательно применять детекторы с изотропной чувствительностью. Такой чувствительностью обладают детекторы шаровой формы, весь объем которых чувствителен к излучению (шаровой детектор), а также детекторы со сферическим чувствительным слоем (сферический детектор).
Рассмотрим детектор шаровой формы, весь объем которого является чувствительным к заряженным частицам (рис. 2.1). Обозначим через X энергию, которую оставляет в детекторе заряженная частица с энергией Z , проходя на расстоянии ty от его центра. Тогда для аппаратурного спектра f1 (У) справедливо следующее уравнение:
Задача нахождения решения П(г) введенного выше интегрального го уравнения (2.1) является в общем случае некорректной.
Разработка спектрометра с детектором шаровой формы
На основании метода, изложенного в разделе 2.1 настоящей работы, был разработан спектрометр, внешний вид которого показан на рис. 3.1, а блок-схема представлена на рис. 3.2.
В качестве изотропного детектора в спектрометре предпочтительнее использовать детектор, имеющий линейную зависимость отклика от поглощенной в нем энергии. Этому требованию удовлетворяет полупроводниковый детектор сферической формы [103J . Однако трудности технологического характера не позволили пока получить такие детекторы с требуемыми характеристиками (толщина чувствительного слоя, разрешение).
Поэтому в качестве изотропных детекторов нами использовался пластический сцинтилляционный детектор на основе полистирола с добавками паратерфенила (2$) и состава РОРОР (ОДЯ [104] в фо рме шара диаметром 15 мм, объем которого полностью чувствителен к излучению и полой сферы с таким же внешним диаметром и толщиной стенки 1,5 мм.
Такой детектор (1) помещен (рис. 3.2) внутри световода (2) из органического стекла, покрытого светоотражающей фольгой из алюминия толщиной 6 мкм и заключен в светозащитный кожух (3) из алюминия толщиной 0,5 мм. Световод крепится к фотокатоду фотоумножителя (4). В спектрометре использовался фотоумножитель типа ФЭУ-35 с разрешением 9$. Оптический контакт между поверхностями пластического сцинтиллятора, световода и катода фотоумножителя обеспечивался с помощью диффузионного масла. Фотоумножитель с делителем напряжения (5) и эмиттерньм повторителем (6) помещен в стальной корпус (7). Сопротивление делителя было около 1 МОм. Питание делителя фотоумножителя осуществлялось от высоковольтного блока ВС-22 (8), а эмиттерного повторителя от комплекта батарей (9).
.Исследование формирования поглощенной дозы в фантомах биообъектов
Для исследования дозовых характеристик полей радиационного воздействия тяжелых заряженных: частиц на биологические объекты были разработаны и изготовлены фантомы мелких лабораторных животных (мыши, крысы, кролика). В качестве материала фантомов использовалась тканеэквивалентная пластмасса [105] , состав которой дан в таблице 4.1 в весовых процентах. Здесь же представлен (для сравнения) состав ткани [106] .
Поскольку форма энергетических и угловых распределений, а также сечения образования вторичных частиц на легких ядрах (группы С , N , О ) слабо зависят от типа ядра мишени [27, 39] , тканеэквивалентность фантомного материала оценивалась по ионизационным потерям заряженных частиц. Применяемая тканеэквивалентная пластмасса вследствие замены части кислорода на углерод ( по отношению к составу ткани) имеет несколько большую тормозную способность, однако это различие укладывается в 1 % в энергетическом диапазоне 0,1 + 3000 МэВ [-Н2] .
Фантомы лабораторных животных имеют форму цилиндров различных геометрических размеров, выбранных близкими к некоторым эффективным для животных средних весов. Так, диаметр фантома кролика был 118 мм, а длина - 180 мм, а соответствующие размеры фантома крысы были 55 и 84 мм. Для удобства проведения фантомных измерений цилиндрические фантомы были сделаны составными с цилиндрическими каналами диаметром 17 мм для размещения в них детекторов на различных расстояниях от оси фантомов и на разной глубине. Каналы, не используемые в данном измерении, заполняются вкладышами из того же материала, что и фантом.
Измерение доз в фантомах проводилось тканеэквивалентными ионизационными камерами конденсаторного типа с чувствительным объемом шаровой формы 0,1 см3 (рис. 4.1). Характеристики этих детекторов будут даны в следующем разделе (5.2).
Физико-технические характеристики канала пучков ионов
Проведение радиобиологических экспериментов на синхрофазотроне ОИЯИ возможно только на канале, оборудованном системой медленного вывода пучка (рис. 5.1). В этом канале длительность рабочего участка стола главного магнитного поля [100] достигает 450 мс. Специальная пневматическая система вводит в рабочее положение внутри линейного промежутка селтум-магнит и специальную линзу. Отклоненный таким образом пучок входит во вторую ступень вывода (магнит + линза), расположенную в следующем прямолинейном промежутке и покидает ускоритель через отверстие в магните. На вакуум-проводе размещены два дублета линз, позволяющие дефокусировать выведенный пучок частиц, падающий на биологический объект. Необходимость в такой дефокусировке вызвана тем, что нормально сформированный пучок в месте, выбранном для проведения радиобиологичес р ких экспериментов ( ЕЗ) имеет площадь порядка 2 см , что позволяет проводить облучение биообъектов только малых: размеров. Таким образом, формирование поля облучения в месте проведения радиобиологических экспериментов проводилось с помощью дублетов квадру-польных линз (1 К 200, 1 К 100 и 2 К 200, 2 К 100).
На рис. 5.2 приведены профили дефокусированных пучков дейто-нов (а) и углерода (б). Из этих иллюстраций видно, что удается создать поля облучения порядка 30 см с неравномерностью по дозе і 10 #. При этом пучок практически не касается стенок вакуумпро-вода.
Максимальные мощности дозы, достигаемые в этих условиях составляют 12 рад/с на пучках протонов и дейтонов, 6 рад/с на альфа-частицах и 5 мрад/с на ядрах углерода.
