Материал: Методика медичних дозиметричних вимірювань та відповідна дозиметрична вимірювальна апаратура

Методика медичних дозиметричних вимірювань та відповідна дозиметрична вимірювальна апаратура

ВСТУП

Як тільки були відкриті іонізуючі випромінювання та їх шкідливий вплив на живі організми, з'явилася необхідність контролювати опромінення цими випромінюваннями людини. Кожна людина повинна знати про небезпеку радіації і вміти захищатися від неї.

Дозиметрія іонізуючих випромінювань розглядає властивості іонізуючих випромінювань, фізичні величини, що характеризують поле випромінювання або взаємодію випромінювання з речовиною, а також принципи і методи їх визначення.

Дозиметрія має справу з такими фізичними величинами, які пов'язані з очікуваним радіаційним ефектом. Ці величини звичайно називають дозиметричними.

Встановлений зв'язок між вимірюваної фізичної величиною і очікуваним радіаційним ефектом - найважливіша властивість дозиметричних величин. Поза цим зв’язком дозиметричні вимірювання втрачають сенс.

Першопричиною радіаційних ефектів є поглинання енергії іонізуючих випромінювань опромінюваним об'єктом, і доза як міра поглиненої енергії виявляється основною дозиметричної величиною.

Метою виконання кваліфікаційної роботи є визначення дози випромінювання в різних середовищах і особливо в тканинах живого організму. Для цієї мети використовують різні розрахункові та експериментальні методи.

Кількісне визначення дози випромінювання, що діє на живий організм, необхідно, насамперед, для виявлення, оцінки та попередження можливої ​​радіаційної небезпеки для людини. Якщо лікарі-гігієністи і радіобіологи повинні відповісти на питання, які гранично допустимі з точки зору біологічної небезпеки рівні випромінювання, то дозиметристи повинні забезпечити правильне вимірювання (визначення) цих рівнів. Розвиток дозиметрії спочатку повністю визначалося необхідністю захисту людини від шкідливого впливу іонізуючих випромінювань. Незабаром після відкриття рентгенівського випромінювання (1895 р.) було виявлено його шкідливу дію на людину, і виникла необхідність у кількісній оцінці ступеня радіаційної небезпеки.

Об’єкт дослідження: засоби виміру іонізуючого випромінювання.

Предмет дослідження: мікропроцесорний лічильник Гейгера-Мюллера для виміру іонізуючих випромінювань.

Актуальність даної роботи:

В сучасній медицині широко використовується іонізуюче випромінювання. Найчастіше для знищення ракових пухлин. Крім того збільшується кількість ядерних електростанцій, що збільшує небезпеку радіоактивного забруднення та радіо ураження людей. Ці фактори визначають актуальність наявності засобів оперативних контактів інтенсивності іонізуючого випромінювання.

Основні задачі:

-  Огляд існуючих засобів вимірювання іонізуючого випромінювання.

-   Порівняння їх технічних та експлуатаційних характеристик.

-   Вибір найбільш раціонального засоба для включення в комплекс моніторингу параметрів зовнішнього середовища в ЧДУ ім. Петра Могили.

РОЗДІЛ 1. ДОЗИМЕТРІЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ.

1.1 Будова рентгенівської трубки

Тормозне рентгенівське випромінювання.

Найбільш поширеним джерелом рентгенівського випромінювання є рентгенівська трубка , яка представляє собою двох - електродний ваккумний прилад (рис. 1.1.а ). Підігрівний катод 1 випускає електрони 4. Анод 2, званий часто антикатоді, має похилу поверхню, для того щоб направити виникає рентгенівське випромінювання 3 під кутом до осі трубки. Анод виготовлений з добре теплопрово - дящого матеріалу для відводу теплоти, що утворюється при ударі електронів. Поверхня анода виконана з тугоплавких матеріалів, що мають великий порядковий номер атома в таблиці Менделєєва, наприклад з вольфраму.

В окремих випадках анод спеціально охолоджують водою або маслом. Для діагностичних трубок важлива точечность джерела рентгенівських променів, чого можна досягти, фокусуючи електрони в одному місці антикатода. Тому конструктивно доводиться враховувати дві протилежні завдання: з одного боку, електрони повинні потрапляти на одне місце анода, з іншого боку, щоб не допустити перегріву, бажано розподіл електронів по різних дільницях анода. В якості одного з цікавих технічних рішень є рентгенівська трубка з обертовим анодом (рис. 1.1. б ).

У результаті гальмування електрона (чи іншої зарядженої частки) електростатичним полем атомного ядра і атомарних електронів речовини антикатода виникає гальмівне рентгенівське випромінювання.

Механізм його можна пояснити наступним чином. З рухомим електричним зарядом пов'язано магнітне поле, індукція якого залежить від швидкості електрона . При гальмуванні зменшується магнітна індукція і у відповідності з теорією Максвелла з'являється електромагнітна хвиля.

а)                                                                                б)

Рис.1.1 Рентгенівська трубка:а) двох - електродний ваккумний прилад; б) рентгенівська трубка з обертовим анодом

При гальмуванні електронів лише частина енергії йде на створення фотона рентгенівського випромінювання, інша частина витрачається на нагрівання анода. Оскільки співвідношення між цими частинами випадково, то при гальмуванні великої кількості електронів утворюється безперервний спектр рентгенівського випромінювання. У зв'язку з цим гальмівне випромінювання називають ще суцільним.

На рис. 1.2 представлені залежності потоку рентгенівського випромінювання від довжини хвилі λ (спектри) при різних напружених в рентгенівській трубці: U1 <U2 <U3.

У кожному зі спектрів найбільш короткохвильове гальмівне випромінювання ληίη виникає тоді, коли енергія, придбана електроном в прискорюючому полі, повністю переходить в енергію фотона.

Зауважимо, що на основі (рис.1.1.б) розроблений один з найбільш точних способів експериментального визначення постійної Планка.

Короткохвильове рентгенівське випромінювання зазвичай володіє більшою проникаючою здатністю, ніж довгохвильове, і називається жорстким, а довгохвильове - м'яким .

Збільшуючи напруга на рентгенівській трубці, змінюють спектральний склад випромінювання, як це видно з рис. 1.2 , і збільшують жорсткість.

Якщо збільшити температуру розжарення катода, то зростуть емісія електронів і сила струму в трубці. Це призведе до збільшення числа фотонів рентгенівського випромінювання , що випускаються кожну секунду. Спектральний склад його не зміниться. На рис. 1.3(а) показані спектри гальмівного рентгенівського випромінювання при одній напрузі, але при різній силі струму розжарення катода: / Н1 </ н2 .

Рис. 1.2.Залежності потоку рентгенівського випромінювання від довжини хвилі λ (спектри) при різних напружених в рентгенівській трубці.

Потік рентгенівського випромінювання обчислюється за формулою:

Ф = k *I* U2* Z

де U і I - напруга і сила струму в рентгенівській трубці; Z - порядковий номер атома речовини анода; k - коефіцієнт пропорційності. Спектри, отримані від різних антикатоди при однакових U і IH, зображені на рис. 1.3.(б).

а)                                                                                        б)

Рис.1.3 Спектри гальмівного рентгенівського випромінювання: а) при одній напрузі, але при різній силі струму розжарення катода: / Н1 </ н2 ; б) Спектри, отримані від різних антикатоди при однакових U і IH.

1.2 Взаємодія рентгенівського випромінювання з речовиною

Реєстрація та використання рентгенівського випромінювання, а також вплив його на біологічні об'єкти визначаються первинними процесами взаємодії рентгенівського фотона з електронами атомів і молекул речовини.

Залежно від співвідношення енергії hv фотона і енергії іонізації 1 Аі мають місце три головних процеса.

Когерентне (класичне) розсіювання.

Розсіювання довгохвильового рентгенівського випромінювання відбувається в основному без зміни довжини хвилі, і його називають когерентним. Воно виникає, якщо енергія фотона менше енергії іонізації : hv < Аі .

Так як в цьому випадку енергія фотона рентгенівського випромінювання і атома не змінюється, то когерентне розсіяння саме по собі не викликає біологічної дії. Однак при створенні захисту від рентгенівського випромінювання слід враховувати можливість зміни напрямку первинного пучка. Цей вид взаємодії має значення для рентгеноструктурного аналізу.

Некогерентного розсіяння (ефект Комптона).

У 1922 р. А.Х. Комптон, спостерігаючи розсіювання жорстких рентгенівських променів, виявив зменшення проникаючої здатності розсіяного пучка в порівнянні з падаючим. Це означало, що довжина хвилі розсіяного рентгенівського випромінювання більше, ніж падаючого. Розсіювання рентгенівського випромінювання із зміною довжини хвилі називають некогерентним, а саме явище - ефектом Комптона. Він виникає, якщо енергія фотона рентгенівського випромінювання більше енергії іонізації: hv > Аі .

Це явище обумовлене тим, що при взаємодії з атомом енергія hv фотона витрачається на освіту нового розсіяного фотона рентгенівського випромінювання з енергією hv , на відрив електрона від атома (енергія іонізації Аі) і повідомлення електрону кінетичної енергії Ек: hv = hv '+ Аі + Ек. Тут під енергією іонізації розуміють енергію, необхідну для видалення внутрішніх електронів за межі атома або молекули .

Так як у багатьох випадках hv >> Аі і ефект Комптона відбувається на вільних електронах , то можна записати наближено: hv = hv '+ EK .

Істотно, що в цьому явищі поряд з вторинним рентгенівським випромінюванням (енергія hv ' фотона) з'являються електрони віддачі ( кінетична енергія Ек електрона). Атоми або молекули при цьому стають іонами.

Фотоефект.

При фотоефекті рентгенівське випромінювання поглинається атомом, в результаті чого вилітає електрон, а атом іонізується (фотоіонізації ) .

Три основних процеса взаємодії, розглянуті вище, є первинними, вони призводять до наступним вторинним, третинним і т.д. явищам. Так, наприклад, іонізовані атоми можуть випромінювати характеристичний спектр, збуджені атоми можуть стати джерелами видимого світла ( Рентгенолюмінесценція ) і т.п.

Наводиться схема можливих процесів, що виникають при попаданні рентгенівського випромінювання в речовину. Може відбуватися кілька десятків процесів, подібних зображеному, перш ніж енергія рентгенівського фотона перейде в енергію молекулярно- теплового руху. У підсумку відбудуться зміни молекулярного складу речовини.

Процес, лежать в основі явищ, які спостерігаються при дії рентгенівського випромінювання на речовину. Перерахуємо деякі з них.

Рентгенолюмінесценція - світіння ряду речовин при рентгенівському опроміненні. Таке світіння платіносінеродістим барію дозволило Рентгену відкрити промені. Це явище використовують для створення спеціальних світних екранів з метою візуального спостереження рентгенівського випромінювання, іноді для посилення дії рентгенівських променів на фотопластинку.

Відомо хімічна дія рентгенівського випромінювання, наприклад утворення перекису водню у воді. Практично важливий приклад - вплив на фотопластинку , що дозволяє фіксувати такі промені.

Іонізуюча дія проявляється у збільшенні електропровідності під впливом рентгенівських променів. Це властивість використовують в дозиметрії для кількісної оцінки дії цього виду випромінювання.

У результаті багатьох процесів первинний пучок рентгенівського випромінювання послаблюється відповідно до закону . Запишемо його у вигляді:

I = I0 е-/ "

де μ - лінійний коефіцієнт ослаблення.

Його можна уявити що складається з трьох доданків, відповідних когерентному розсіюванню μκ, некогерентного μΗΚ і фотоефекту μф:

μ = μк + μhk + μф

Інтенсивність рентгенівського випромінювання послаблюється пропорційно числу атомів речовини, через який цей потік проходить.

1.3 Фізичні основи застосування рентгенівського випромінювання в медицині

Одне з найбільш важливих медичних застосувань рентгенівського випромінювання - просвічування внутрішніх органів з діагностичною метою (рентгенодіагностика).

Для діагностики використовують фотони з енергією порядку 60-120 кеВ .При цій енергії масовий коефіцієнт ослаблення в основному визначається фотоефектом. Його значення обернено пропорційно третього ступеня енергії фотона (пропорціонально λ3), в чому проявляється велика проникаюча здатність жорсткого випромінювання, і пропорційно третього ступеня атомного номера речовини - поглинача.

Істотна відмінність поглинання рентгенівського випромінювання різними тканинами дозволяє в тіньовій проекції бачити зображення внутрішніх органів тіла людини.

Рентгенодіагностику використовують у двох варіантах: рентгеноскопія зображення розглядають на рентгенолюмінесцірующем екрані, рентгенографія - зображення фіксується на фотоплівці.

Якщо досліджуваний орган і навколишні тканини приблизно однаково послаблюють рентгенівське випромінювання, то застосовують спеціальні контрастні речовини.

Так, наприклад, наповнивши шлунок і кишечник кашоподібної масою сульфату барію, можна бачити їх тіньове зображення.

Яскравість зображення на екрані і час експозиції на фотоплівці залежать від інтенсивності рентгенівського випромінювання. Якщо його використовують для діагностики, то інтенсивність не може бути великою, щоб не викликати небажаних біологічних наслідків.

Тому є ряд технічних пристосувань, поліпшують зображення при малих інтенсивностях рентгенівського випромінювання.

Як приклад такого пристосування можна вказати електронно -оптичні перетворювачі. При масовому обстеженні населення широко використовується варіант рентгенографії - флюорографія, при якій на чутливій малоформатної плівці фіксується зображення з великого рентгенолюмінесцірующего екрана. При зйомці використовують лінзу великий світлосили, готові знімки розглядають на спеціальному збільшувачі.

Цікавим і перспективним варіантом рентгенографії є метод, званий рентгенівської томографією, і його «машинний варіант» - комп'ютерна томографія.

Розглянемо це питання. Звичайна рентгенограма охоплює велику ділянку тіла, причому різні органи і тканини затінюють один одного. Можна уникнути цього, якщо періодично спільно в протифазі переміщати рентгенівську трубку ГТВ фотоплівку Фп щодо об'єкта.

Про дослідження.

У тілі є ряд непрозорих для рентгенівських променів включень, вони показані кружечками на малюнку. Як видно, рентгенівські промені при будь-якому положенні рентгенівської трубки (1 , 2 і т.д.) проходять че-рез одну і ту ж точку об'єкта, що є центром, щодо якого вчиняється періодичне рух РТ і Фп .

Ця точка, точніше невелике непрозоре включення, показана темним гуртком . Його тіньове зображення переміщається разом з Фп, займаючи послідовно положення 1 , 2 і т.д. Решта включення в тілі (кістки, ущільнення та ін ) створюють на Фп деякий загальний фон, так як рентгенівські промені не постійно затіняються ними.