А.Г. Алексеев - Дозиметрия в пучках ядер углерода с помощью ТЛД - презентация

1 Результаты использования метода ТЛД для дозиметрических измерений на ВРБС (временный радиобиологический стенд) период гг. А.Г.Алексеев 19 сентября 2017, презентация для рабочего совещания по РБС

2 Начиная с 2015 г. при проведении исследований дозиметрических характеристик излучения ядер углерода во время сеансов на ВРБС использовались термолюминесцентные детекторы (ТЛД), совместно с другими дозиметрическими средствами измерения. Основные моменты, побуждающие использовать ТЛД для целей исследований на ВРБС: Метод ТЛД давно широко используется в дозиметрии ионизирующих излучений, и зарекомендовал себя как стандартный, в том числе в радиологии. Наиболее широко ТЛД используются для контроля хронического облучения персонала, т.е. для измерения доз ниже 50 Зв. Но тем не менее используются для аварийной дозиметрии – где верхний диапазон доз – 10…50 Гр. Есть широкий и доступный ассортимент разных типов детекторов и ТЛД-систем (для считывания информации с детекторов) ( прошедших сертификацию), производство которых осуществляют на коммерческой основе несколько фирм (как в РФ, так и за рубежом). ТЛД имеют широкий диапазон по измерению поглощенной дозы ( от нескольких м Гр до 50…100 Гр), что покрывает диапазон, который необходим для исследований на ВРБС. Чувствительность (показания) ТЛД практически не зависят от мощности дозы, что особенно важно при использовании для импульсного излучения ВРБС. Детекторы имеют сравнительно небольшой размер ( диаметр -5 мм, толщина 1 мм), что позволяет их использовать для фантомных исследований. В составе ВРБС в настоящее время только 2 легитимных (сертифицированных) средства измерения: алмазный клинический дозиметр и ТЛД.

3 Во время сеансов в исследования на ВРБС использовались следующие детекторы ДТГ-4 Были закуплены в 2012 г. монокристаллические ТЛД, производства Ангарского филиала ООО «Урал Прибор» Аналог LiF:Mg,Ti: MTS, TLD-100 RadPro International GmbH ТЛД1101Т Предоставлены ООО «НТЦ Практика-ТЛ» в рамках договора поликристаллические (тонкие), активный слой ( 5-7) мг/см 2, на алюминиевой подложке, Производство ООО «НТЦ Практика», Москва аналог LiF: Mg, Cu, P Тип: MCP-Ns RadPro International GmbH ММТ-7 Были закуплены в 2014 г. поликристаллические, производства RADCARD –Польша (LiF). (Разработаны специально для дозиметрии в пучках ионов с большим ЛПЭ). LiF:Mg,Ti В связи с тем, что в НИЦ «Курчатовский институт»-ИФВЭ отсутствует прибор для обсчета данных типов ТЛД, с 2015 г. был заключен договор на 3 года с ООО «НТЦ-Практика-ТЛ» на обработку облученных во время сеанса детекторов. Обработка включала в себя : отбор ТЛД по чувствительности, калибровку, отжиг, обсчет и обработку результатов. Использовался HARSHAW-4000

4 ПРИНЦИП ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО МЕТОДА ДОЗИМЕТРИИ Теория радиотермолюминесценции основывается на зонной теории электронных состояний в твердых телах. Материалы, которые могут быть использованы в качестве термолюминесцентных детекторов, представляют собой твердые изоляторы, обладающие кристаллической решеткой, например, LiF, CaF2, борат магния и т.д.Согласно зонной теории, в идеальном кристалле электрон не может принимать любые значения энергии: существуют зоны разрешенных и запрещенных энергий. Обычно рассматривают две соседние энергетические зоны: последнюю, заполненную электронами, зону В (валентную) и первую свободную зону П (проводимости), между которыми расположена зона запрещенных энергий З (рис. 3.2). Реальные кристаллы обычно содержат различные структурные де­фекты (вакансии), обуславливающие локальные уровни энергии, расположенные в запрещенной зоне. Локальные уровни дефектов решетки кристалла заполнены электронами, если они лежат в нижней части за­прещенной зоны, и свободны, если расположены в верхней ее части. Под действием ионизирующего излучения в веществе образуются одинаковые количества положительных и отрицательных носителей заряда. При этом в результате внутреннего фотоэффекта электроны из валентной зоны могут переходить в зону проводимости П, а затем локализовываться на уровнях захвата F(переход 1). Образованные в заполненной зоне на месте выбитых электронов свободные места "дырки" могут заполняться электронами с уровней V (переход 2), в результате чего возникают "дырочные" локальные V-центры. Для освобождения аккумулированной в веществе энергии ионизирующего излучения необходим дополнительный нагрев кристалла, в ре­зультате чего происходит освобождение электронов с F-центров, а затем их рекомбинация с дырками на V-центрах (переход 3). При рекомбинации атом примеси, на котором был образован V-центр оказывается в возбужденном состоянии (помечено звездочкой на рис.), которое почти мгновенно переходит в основное состояние с испусканием кванта света. Возникающее при этом свечение называют термолюминесценцией. Для дополнительного создания вакансий некоторые кристаллы активируются примесью (например, Ag). В этом случае образующиеся V-центры оказываются связанными с атомами примеси. Спектр термолюминесценции определяется типом активатора, например, свечение Ag+ дает голубой свет, Mn2+ - зелено-оранжевый. Отличительной чертой термолюминесценции является разрушение в процессе нагрева центров, созданных под действием ионизирующего излучения. Свечение термолюминесценции служит мерой поглощенной в детекторе дозы. Процедура измерения дозы с помощью ТЛД сводится к тому, что облученный детектор нагревается с заданной постоянной скоростью и в процессе нагрева измеряется зависимость интенсивности свечения Jот температуры люминофора Т. Типичный вид этой зависимости, называемой кривой термического вы­свечивания (КТВ), показан на рис.

5 Различие в характеристиках термовысвечивания Кривые термовысвечивания для тестируемых ТЛД при разных дозах, нормировка на основной дозиметрический пик. High-dose characterization of different LiF phosphorsP. Bilskia,, P. Olkoa, M. Puchalskaa, B. Obryka, M.P.R. Waligуrskia,b, J.L. Kimc Radiation Measurements 42 (2007) 582–585 Разделение кривой термовысвечивания на пики, доза 5 к Гр.

6 Предварительное исследование дозиметрических свойств термолюминесцентных детекторов MTT-7. Подробные данные исследований в отчете ООО «НТЦ Практика-ТЛ» от 2015 г. Детекторы МТТ отличаются повышенной относительной эффективностью к излучению с высокой ЛПЭ. Данное отличие достигнуто за счет изменения концентраций активаторов (Mg, Ti) в стандартных детекторах (TLD-100, MTS) используемых для рутинной дозиметрии. Детекторы МТТ имеют специфическую кривую термовысвечивания (КТВ), отличающуюся повышенной интенсивностью низкотемпературных элементарных пиков КТВ. Это приводит к необходимости дополнительной термообработки в процессе подготовки детекторов к использованию, а также к дополнительному отжигу перед измерением КТВ облученных детекторов. Измерения КТВ детекторов МТТ производилось на термолюминесцентном анализаторе HARSHAW-4000 при следующих режимах: предварительный нагрев: С /6 секунд линейный нагрев: 3 0 С/с / 80 с. максимальная температура: С. Для расчетов использовалась свето сумма термовысвечивания (S) в диапазоне по каналам 40 – 120 (или по температуре С), приведенная к стандартному показанию эталона свечения (СПД) Значения СПД фиксировались в начале и по окончании серии измерений. Температурная обработка детекторов перед облучением в соответствии с требованиями производителя: отжиг при температуре С в течении 1 часа, затем при температуре С в течении 2-х часов. Перед измерением - 30 мин при С.

7 Разброс и стабильность чувствительности детекторов МТТ-7 Разброс чувствительности партии детекторов МТТ-7 в циклах "отжиг- облучение-измерение". Явной сенсибилизации детекторов после облучения дозами до 20 Гр и проведения процедуры стандартной термической обработки не наблюдается. Методичное падение чувствительности детекторов от цикла 1 к циклу 5 связано с постепенным отжигом мешающего свечения при температурах выше С. Вывод: для уменьшения погрешности измерения дозы необходимо учитывать «историю» детектора.

8 Дозная зависимость детекторов МТТ-7 в диапазоне до 80 Гр. Зависимость показаний ММТ-7 от величины поглощенной дозы (сверх линейность). Облучение проводилось на установке γ-400 (каф. Радиохимии, Химфак МГУ). Зависимость показаний ММТ-7 от величины поглощенной дозы (сверх линейность). Облучение проводилось на установке ЛУЧ-1 (Обнинск).

9 Исследование зависимости чувствительности ТЛД от величины поглощенной дозы Зависимость показаний (относительных) ТЛД типа ММТ от величины поглощенной дозы ( свехлинейность). Зависимость показаний (относительных) ТЛД типа ДТГ-4 от величины поглощенной дозы (эффект «свехлинейность»). Относительная чувствительность ТЛД-1011(Т) в зависимости от дозы излучения 137 Cs. Кружки –экспериментальные данные (настоящая работа). Сплошная линия –экспериментальные данные для LiF: Mg, Cu, P..

10 исследования зависимости потери чувствительности и потери информации для ДТГ-4. Планируется провести аналогичные измерения с облучение на углероде В рамках сотрудничества Ангарский филиал ОА «УРАЛПРИБОР» выполнил в 2017 г. исследования зависимости потери чувствительности и потери информации для ДТГ-4. Эти данные подтвердили ранее полученные в ИФВЭ результаты. Данные вошли в МУ (45), разработанные Метод-советом при Генеральной инспекции Росатома. Полученные данные указывают, что бы контролировать основную погрешность измерения, необходимо учитывать временной интервал между отжигом ТЛД и облучением и облучением и временем обсчета. В реакции 6Li(n,α)T образуются а-частицы и тритий с ЛПЭ не выше 200 кэВ/мкм. Таким образом данные по нейтронам можно рассматривать как верхнюю оценку для ядер углерода.

11 Литературные данные по зависимости чувствительности ТЛД и EBT2 от ЛПЭ Зависимость относительной чувствительности разных типов ТЛД от величины ЛПЭ облучающих ионов. ТЛД и EBT3 рассматриваются как альтернативные методы измерения, дополняющие друг друга. При исследованиях ТЛД и ЕВТ3 облучались всегда вместе.Поэтому по их относительным ( друг к другу показаниям) можно судить об зависимости чувствительности от ЛПЭ. Относительная чувствительность EBT от дозы и энергии ядер углерода и протонов.

12 Dose–response of EBT3 to proton and carbon ion clinical beams Phys. Med. Biol. 62 (2017) 377–393 Roberta Castriconi1, Mario Ciocca2, Alfredo Mirandola2, Carla Sini3, Sara Broggi3, Marco Schwarz4,5, Francesco Fracchiolla4, Mбria Martišнkovб 6,7,8, Giulia Aricт 6,7,8, Giovanni Mettivier1 and Paolo Russo1 Приведены эти данные, как наиболее «свежие» по зависимости чувствительности EBT3 от ЛПЭ.

13

14 Результаты измерения относительной чувствительности детекторов при облучении в пучке ядер углерода (450МэВ/нуклон)

15 Изменение структуры КТВ ММТ-7 при увеличении дозы и (или) ЛПЭ излучения.

16 Возможность оценки ЛПЭ ( возможность получения поправки на чувствительность к ЛПЭ) (пока не реализовано, планируется провести во 2-м сеансе 2017 г.) В 1996 году было предложено использовать т.н. высокотемпературное соотношение – HTR (N.Vana, W.Schöner, M.Fugger, Y.Akatov Absorbed dose measurement and LET determination with TLDs in space. Radiation protection dosimetry, 66, ) для оценки ЛПЭ в неизвестных радиационных полях. Параметр был введен при исследовании детекторов TLD-100. Для детекторов МТТ, с более выраженной высокотемпературной частью КТВ, использование данного метода может оказаться полезным. К определению HTR.

17

18 Примеры результатов из: А.Г.Алексеев Отчет по дозиметрическим измерениям. ВРБС. ЛИЛК ОУК. 1-й сеанс 2017 г. В каждом сеансе выполняется облучение ( одновременно ТЛД и EBT3) на эталонной установке ( 137 Cs) в ОРИ ИФВЭ. В 2015 г. проводилась калибровка ТЛД и EBT3 на эталоне во ВНИИФТРИ Используются поправки на отклонение эталона ИФВЭ от Первичного Государственного эталона поглощенной дозы Для ТЛД R ИФВЭ= R ВНИИФТРИ*0,95 ( R- показания в Гр). Для EBT3 R 2014= R ВНИИФТРИ*1,12

19 Корреляция показаний монитора (ПИИК) и детекторов. ( облучение в районе пика Брегга ) 1-й сеанс 2017 г. Средняя относительная доза по показаниям детекторов. М- монитор. Облучение за пиком. Из А.Г.Алексеев Отчет по дозиметрическим измерениям. ВРБС. ЛИЛК ОУК. 2-й сеанс 2016 г.

20 Сличение средств измерения ФТЦ ФИАН- ИФВЭ В июле 2015 г. Проведено облучение EBT3 и ТЛД в пучке протонов (энергия 30, 50, 70, 120 МэВ) на установке ФТЦ ФИАН. Видно, что с уменьшение энергии показания ТЛД 1011-Т относительно ДТГ-4 и ММТ-7 уменьшаются- объясняется, что чувствительность ТЛД1011Т сильнее падает с увеличением ЛПЭ. Показания ДТГ-4 и ММТ-7 практически совпадают, независимо от величины ЛПЭ. Показания EBT2 и EBT3 практически совпадают. Показания EBT3 относительно ДТГ-4 и ММТ-7 относительно уменьшаются, что говорит о том, что чувствительность EBT3 уменьшается сильнее, чем у ТЛД.

21 Дальнейшее использование ТЛД в работах на РБС Дозиметрическое сопровождение облучение биообъектов (животных) в радиобиологических исследованиях. Не все потребители РБС ( кроме МРНЦ им А.Ф. Цыба ) обладают дозиметрическими средствами измерения. Верификация физического блока планирования облучения. Для верификации метод планирования облучения ( разработка плана облучения при радиотерапии) традиционно используется антропоморфный фантом. Есть возможность использовать такой фантом ( производства США), который готов предоставить ФМБЦ им. Бурназяна А.И. Данные фантом приспособлен ( наличие специальных отверстий) для использования ТЛД

22 Использование ATOM DOSIMETRY PHANTOMS для верификации программы планирования облучения Рентгеновское изображение дозиметрического фантома Внешний вид отдельных частей фантома

23 Внешний вид секции с позициями для размещения детекторов способом «расположения в органе» Изображение секции на рентгеновском снимке

24 Использование ATOM DOSIMETRY PHANTOMS для верификации программы планирования облучения

25 заключение Получены зависимости относительной чувствительности ТЛД от дозы гамма излучения ( для ДТГ-4, ММТ-7, ТЛД1011Т). Полученная зависимость относительной чувствительности ТЛД и радиохромной пленки EBT3 для ионов углерода (ЛПЭ – 10 кэВ/мкм и ~ 200 кэВ/мкм) не противоречит имеющимся данным других авторов. Полученные данные позволяют рассматривать ТЛД ( совместно с EBT3) в качестве средства измерения для абсолютного измерения дозы в пучке ядер углерода (как альтернатива используемых ионизационных камер в клинических дозиметрах). Следующий этап данной работы: разработка методики ( способов учета поправок ( учитывающих влияние на чувствительность величины ЛПЭ и дозы)) позволяющей минимизировать погрешность измерения поглощенной дозы. Рекомендуемая погрешность измерения поглощенной дозы (для медицинских целей) не выше 4-5%.