proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2021 год
  Агентство  ПРоАтом. 24 года с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Обсудим?!
Способствует ли безопасности атомной отрасли закрытость (усиление режима)?
Да
Нет
Сильнее влияют другие факторы

Результаты
Другие опросы
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
Вышло в свет второе издание двухтомника Б.И.Нигматулина. Подробнее
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. Информация: (812) 438-32-77, E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
Время и Судьбы

[20/10/2005]     Спектрометр излучений человека для определения содержания плутония и америция

В.П.Романцов, к.ф.-м.н., А.П.Исаков, Е.А.Пронина, ООО НПП «Радиационный контроль. Приборы и методы»

Для прижизненного определения содержания изотопов плутония и америция в организме человека можно использовать как прямые, так и косвенные методы измерений. Наиболее просто организовать косвенные измерения по различным выделениям. Здесь мы имеем дело со стандартной геометрией измерений, но возникает значительная неопределенность, связанная с моделированием формирования выделений в организме человека и с методикой пробоподготовки.

Прямые методы связаны с измерением фотонного излучения из внутренних органов и тканей человека. Но выхода гамма-излучения и характеристического KX излучения на один распад для всех изотопов плутония и америция-241 чрезвычайно малы. Поэтому для реальных измерений может быть выбран только диапазон энергий до 60 кэВ, где расположены две заметные гамма линии 241Am 59,5 кэВ и 26,4 кэВ или диапазон энергий KX излучения от 13 кэВ до 21 кэВ. В табл. 1 приведены энергии и внешние выходы фотонного излучения изотопов плутония и америция в указанных диапазонах. Выход LX излучения для различных изотопов плутония различный, поэтому в таблице не приводится. Суммарный выход этого излучения составляет от 0,05 до 0,11 на один распад.



Таблица 1

Варианты поступления радионуклидов в организм человека могут быть различными: это может быть однократное аэрозольное поступление, тогда локализация радионуклидов будет наблюдаться в основном в легких. В зависимости от вида химического соединения (согласно НРБ-99 для оксидов и гидроксидов плутония тип химического соединения при ингаляции относится к типу медленнорастворимых М, а остальные соединения – промежуточнорастворимые П, а лоя всех соединений америция – к типу П), возможна долгосрочная локализация в лимфатических узлах легких или в плевральной полости. Дальнейшая миграция обуславливает преимущественное накопление в печени и в скелете, причем в скелете может наблюдаться накопление либо на поверхности кости, либо в "рыхлой" кости.

В аварийных ситуациях поступление может быть связано с поверхностным и внутрикожным загрязнением, а также с раневым поступлением. При этом возможны варианты и быстрой миграции, и долговременное пребывание в ране в зависимости от химической формы соединения.

В связи с этим были разработаны три методики прямых измерений:

– определение содержания Am-241 в легких;

– определение содержания Am-241 в коленном суставе;

– определение средней глубины залегания плутония при раневом поступлении.

Линии характеристического LX-излучения и в тканях человека имеют очень малые пробеги – 5,3 мм,10,2 мм и 16,7 мм соответственно, и, очевидно, не дают возможности достоверно измерить содержание плутония в легких или в костной ткани, где пробеги еще на порядок меньше. Поэтому для легких и коленного сустава методики ограничены только измерением Am-241, пробег для линии 59,5 кэВ мягких тканях составляет 54 мм (для легочной ткани в четыре раза больше), а для костной ткани – 22 мм.

Средняя глубина залегания может быть достоверно оценена лишь для плутония при условии отсутствия Am-241, поскольку здесь измерения необходимо проводить для линий LX-излучения, а линия вылета для энергии 59,5 кэВ, вместе с ее рассеянным в тканях излучением, а также гамма линия 26,4 кэВ Am-241 будут мешать измерениям в диапазоне LX-излучения.

В методиках измерений используются тонкие (толщина 1 мм) сцинтилляционные NaI(Tl) детекторы: до четырех детекторов диаметром 63 мм при измерении легких, один детектор диаметром 40 мм при измерении коленного сустава и один детектор диаметром 40 мм с бериллиевым окном для определения раневых поступлений.

Четыре детектора легочного СИЧ устанавливаются следующим образом: два в подключичной области, два – в области нижних ребер. Такой способ позволяет уменьшить неопределенность, связанную с возможным неравномерным распределением радионуклидов по объему легких.

В рамках стандартной модели НРБ-99 индивидуальная доза облучения определена как доза облучения "стандартного работника", который находится в тех же производственных условиях и выполняет те же работы, что и данный индивид. При определении индивидуальной дозы работника в НРБ-99 игнорируется ее возможное отличие от истинной дозы облучения индивида (которую можно было бы назвать персональной дозой), которое обусловлено различием между характеристиками "стандартного работника" и персональными характеристиками индивида, а именно:

– антропометрическими характеристиками тела, органов и тканей;

– характеристиками физиологических показателей;

– параметрами биокинетики химических элементов в органах и тканях. Кроме того, методические указания МУ 2.6.1.016-2000 устанавливают приемлемое значение фактора неопределенности на уровне 2,5, т.е. верхняя граница интервала неопределенности может в 2,5 раза превышать приписываемое по результатам измерений данному индивиду значение дозы.

Для оценки влияния антропометрических параметров пациента на неопределенность были произведены модельные расчеты тока первичного излучения на поверхность сферы и боковую поверхность цилиндра, имитирующие излучение из торса.

Для "стандартного" человека весом 70 кг и ростом 170 см (НРБ-99) средний объем воздуха в легких ~3 л, масса тканей легких ~1 кг, масса тканей внутри легких ~2 кг (сюда входят сердце, аорта, полая вена, позвоночник). Суммарный объем около 6 л, а плотность =0,5 г/см3. Толщина тканей, окружающих легкие, составляет 2,5 см.

Принимая в качестве источника гомогенную сферу объемом 6 л и или два цилиндра по 3 л с учетом ослабления в окружающих легкие тканях, получаем для отношения токов на детекторы, расположенные, как показано на рис. 1, величину (jсф/jцил)=1,05. Т.е. токи практически одинаковы. Поэтому вариация антропометрических параметров осуществлялась для сферической геометрии.

В пределах изменения массы от 50 до 120 кг и роста от 160 до 190 см оказалось, что неопределенность при условии равномерного распределения радионуклида по внутреннему объему сферы составляет 1,3. Подобные оценки для неопределенности, связанной с возможным неравномерным распределением радионуклида по объему производились сравнением его с точечной локализацией в месте входа бронхов в легкие. Оказалось, что здесь отношение токов на детекторы (jсф/jцил)=1,2. Итоговая неопределенность модели измерений составляет таким образом величину около 1,4.

В качестве модели коленного сустава принималась сфера диаметром 10 см из костной ткани с плотностью 1,85 г/см3. Аналогичные оценки неопределенностей в данном случае составляют 1,2 и 1,2 соответственно, а итоговое значение около 1,3.



Рис. 1. Сечение торса стандартного человека и расчетные модели



Рис .2. Среднее значение отношения в зависимости от E0

При регистрации излучения из объемных источников значительную роль играет излучение, рассеянное в источнике. На рис. 2 представлено отношение средней энергии однократно рассеянного излучения к энергии E0 первичного излучения. Энергетическое разрешение спектрометра с кристаллом NaI(Tl) для энергии 59,5 кэВ составляет 20-25%, поэтому рассеянное излучение попадает в область пика и его необходимо учитывать при измерениях. Вклад от рассеянного излучения можно рассчитать через вероятность P выхода первичного излучения на поверхность сферы. Для сферы ток на поверхности имеет аналитическое выражение:



а вероятность вылета с поверхности –

align="top"
где qv – объемная плотность источников;
R – радиус сферы;
µ – линейный коэффициент ослабления.

На рис. 3 представлена зависимость P(µR) (сплошная линия).

Вероятность рассеяния первичного излучения впереди сферы можно записать в виде:



где – доля сечения рассеяния в полном сечении взаимодействия гамма квантов с веществом источника.

Зависимость (E) представлена на рис. 4.

Записывая последовательную цепочку рассеяний и принимая для каждого последующего рассеяния первичное с энергией, равной средней энергии при предыдущем рассеянии, получаем, что для легких вероятность вылета первичного излучения составляет 0,51, а вылета однократно и многократно рассеянного излучения будет 0,38,при этом средняя энергия составит 51 кэВ. Для коленного сустава указанные величины соответственно 0,30,0,20 и 50 кэВ. Спектр вылетающего из легких излучения представлен на рис. 5.

При регистрации тонким детектором следует учитывать, что вероятность вылета характеристического KX-излучения йода из детектора очень велика. Энергия, оставленная в детекторе при этом составит 31 кэВ, а энергия KX излучения – 28,5 кэВ. Поскольку детектор плоский, для вероятности вылета можно получить аналитическое выражение:



Рис. 3. Зависимость P(µR)



Рис. 4. Зависимость (E)



где µ – линейный коэффициент ослабления характеристического излучения;
µl – то же для первичного излучения;
l – толщина кристалла NaI.

При l=1 мм P =0,16, т.е. в области пика первичной энергии реальная площадь под пиком будет составлять 0,84 от расчетного значения, а в области 31 кэВ появится пик с площадью 0,16, по форме похожий на представленный на пик вылета с рассеянным излучением. Именно это "хвост"рассеянного излучения мешает измерениям LX-излучения Am-241.

В методике по измерению глубины залегания плутония при раневом поступлении измеряется участок спектра от 7 кэВ до 28 кэВ. Энергетическое разрешение NaI(Tl) не позволяет различить и -линии характеристического излучения.

На pис. 6 представлен спектр излучения указанных характеристических линий. Видно, что между группами линий расстояние около 3,5 кэВ, а энергетическое разрешение NaI(Tl) детектора – порядка 8 кэВ. При глубине залегания 1 см центр тяжести распределения (суммарного пика) смещается всего на 0,9 кэВ по сравнению с поверхностным загрязнением, и, очевидно, при невысокой статистике измерений точность определения глубины по смещению распределения или по разложению спектра на отдельные пики невелика.

Если выбрать границы энергетических окон посередине между группами пиков, можно составить систему из трех нелинейных уравнений, описывающих убывание скоростей счета в этих окнах по мере увеличения толщины. Реализовать решение задачи методом наименьших квадратов каким-нибудь нелинейным методом (например, ДФП – Давидона Флетчера Пауэлла) можно только при хорошей статистике измерений. Поэтому был разработан специальный метод в итерационном процессе, при этом начальное значение глубины залегания принимается равным нулю. Задача сходится за 5-8 итераций и позволяет с погрешностью ±0,5 мм при доверительной вероятности p=0,95 провести измерение глубины залегания плутония, если его активность в ране составляет ~1500 Бк Pu-238 или 3600 Бк Pu-239. При этом диапазон возможных глубин залегания от 0 до 15 мм.

Если распределение радионуклида не представляет собой монослой на некоторой глубине, то относительная неопределенность, связанная с усреднением реального распределения к монослою не превышает 2,0. Качество определения глубины залегания не зависит от изотопного состава плутония, но зависит от количества того или иного изотопа, поскольку внешний выход LX-излучения для различных изотопов отличается в ~2,5 раза.

Все три методики снабжены соответствующим программным обеспечением для градуировки, измерений, обработки результатов, а также для контроля за сохранностью метрологических характеристик.

Программное обеспечение "AmWbc" позволяет использовать каждую из методик в автономном режиме. Измерения могут проводиться как в защитных камерах, так и без них.

Авторы выражают благодарность за ценные замечания, высказанные при согласовании методики директору центра метрологии ионизирующих излучений ФГУП ВНИИФТРИ Ярыне В.П. Также авторы выражают благодарность зам. начальника ОЯРБ СХК Долгополову Ю.В. и Безрукову М.А. за постановку задачи и содействие при внедрении программно методического обеспечения.



Рис. 5. Спектр вылета прямого и рассеянного излучения из легких



Рис. 6. Характерные линии LX-излучения 239Pu, стрелками указаны положения математических ожиданий для групп линий и

По материалам конференции «Безопасность ядерных технологий: экономика безопасности и обращение с ИИИ»  

 
Связанные ссылки
· Больше про Здоровье
· Новость от PRoAtom


Самая читаемая статья: Здоровье:
Отравление «тяжелыми металлами»: вовремя распознать, чтобы успешно вылечить

Рейтинг статьи
Средняя оценка работы автора: 0
Ответов: 0

Проголосуйте, пожалуйста, за работу автора:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 1 Комментарий | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Спектрометр излучений человека для определения содержания плутония и америция (Всего: 0)
от Гость на 18/02/2008
Добрый день! Очень интересная статья, есть несколько вопросов, подскажите, как связаться с Автором статьи, С уважением, Вадим wbc@i.com.ua


[ Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(921)9589004
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
За содержание публикуемых в журнале информационных и рекламных материалов ответственность несут авторы. Редакция предоставляет возможность высказаться по существу, однако имеет свое представление о проблемах, которое не всегда совпадает с мнением авторов Открытие страницы: 0.07 секунды
Рейтинг@Mail.ru