19. Введение в индивидуальную дозиметрию

19. Введение в индивидуальную дозиметрию

В Основных нормах безопасности (ОНБ) МАГАТЭ рекомендовано, чтобы проводился индивидуальный мониторинг работников в контролируемых зонах, когда это является необходимым, адекватным и выполнимым. Где это не выполнимо, облучение работников должно быть оценено по результатам, мониторинга окружающей среды (рабочего места), с учетом продолжительности облучения. Мониторинг рабочего места уже был детально рассмотрен в Модуле 2.4 «Использование приборов радиационного мониторинга». В следующих разделах этого модуля Вы узнаете, как определяются дозы отдельного человека. В этих разделах термин «индивидуальная дозиметрия» используется при определении доз отдельного индивидуума.

Отметим, что индивидуальная дозиметрия может быть разделена на две категории:

  • дозиметрия внешнего облучения (т.е. измерение доз от источников, вне тела человека); и
  • дозиметрия внутреннего облучения (т.е. измерение доз от источников внутри тела человека).

Методы дозиметрии внешнего облучения обсуждаются в разделе 4 этого модуля, а методы дозиметрии внутреннего облучения рассмотрены в Разделе 5.

1. Методы дозиметрии внешнего облучения

Для дозиметрии внешнего облучения используются два метода, это активный и пассивный мониторинг.

1.1     Активный мониторинг

Активный мониторинг включает использование прибора или устройства, которое реагирует на ионизирующее излучение и дает прямое показание эквивалента индивидуальной дозы на все тело (Hp(10)). Дозиметры этого типа обычно электронные (электронные дозиметры) состоят из счетчика Гейгера-Мюллера или полупроводникового детектора (для регистрации рентгеновского и гамма-излучений) и оснащены необходимой электроникой, дисплеем и батареей (смотрите Рисунок 3).

Электронные дозиметры сравнительно недороги и обычно достаточно прочны. Они также имеют следующее преимущество, они могут быть использоваться повторно в различное время различными людьми.

Усовершенствованные электронные дозиметры позволяют контролировать дозы, мощность дозы и общую накопленную дозу в момент считывания. Эти приборы очень полезны при мониторинге внешнего облучения в зонах, где мощность дозы высока или неизвестна. Электронные дозиметры также могут отображать информацию о дозе в режиме реального времени, сохранять и передавать необходимую информацию в систему автоматической регистрации доз. Они полезны для записи доз в локальных зонах и для сравнения с результатами пассивной дозиметрии.

Другой пример активного дозиметра – это электроскоп с кварцевой нитью. Хотя этот тип дозиметра постепенно замещается электронными дозиметрами, до сих пор Вы можете увидеть некоторые из них на рабочем месте. Электроскопы с кварцевой нитью состоят из маленькой ионизационной камеры, в которой падающее излучение влияет на общий заряд. Это изменение заряда отклоняет кварцевую нить на откалиброванной шкале, что видно через линзу окуляра (Рисунок 4).

Главный недостаток этого типа дозиметров – это то, что они легко повреждаются при падении или грубом обращении. Зато они могут использоваться многократно в различное время различными людьми.

Другие активные дозиметры существуют для дозиметрии нейтронов такие, как детекторы с перегретыми каплями (пузырьковые детекторы). Пузырьковые детекторы содержат микроскопические капли жидкости, диспергированные в гелеобразном материале. Налетающие нейтроны передают микрокаплям жидкости энергию, достаточную для их вскипания и превращения в пузырек газа. Эти пузырьки хорошо видны и могут быть подсчитаны (смотрите Рисунок 5).

Фактическая доза нейтронного излучения пропорциональна плотности пузырьков, которая остается неизменной пока дозиметр не будет восстановлен. Эти дозиметры достаточно хрупки и при использовании требуют аккуратности.

Активные дозиметры обычно достаточно маленькие, поэтому они носиться прикрепленными к одежде, обычно на груди носящего (смотрите Рисунок 6). При мониторинге рабочих мест активная дозиметрия может использоваться вместе с методами пассивной дозиметрии, позволяя контролировать дозы в режиме текущего времени и получать более точную информацию.

1.2     Пассивный мониторинг

Пассивный мониторинг осуществляется с использованием дозиметров накапливающих и хранящих информацию о дозе за период ношения, требующих последующей специальной обработки, чтобы получить результат индивидуальной дозы.

Преимуществом пассивных дозиметров является то, что они могут фиксировать информацию о дозе в достаточно стабильной форме, поэтому её трудно потерять. Другое преимущество – это то, что пассивными дозиметрами могут быть одновременно измерены величины эквивалента дозы Hp(10) (все тело), Hp(0.07) (кожа) и Hp(3) (глаза), тогда как активными дозиметрами обычно измеряется только Hp(10).

Примеры используемых пассивных дозиметров:

  • пленочные дозиметры для индивидуальной дозиметрии;
  • термолюминесцентные дозиметры (ТЛД) для индивидуальной дозиметрии и дозиметрического контроля окружающей среды, и
  • ядерные фотоэмульсии или трековые дозиметры для дозиметрии нейтронов.

1.2.1     Пленочные дозиметры

Пленочные дозиметры (известные как — пленочные бэджи.) обычно состоят из кусочка фотографической пленки в кассете. Кассеты оснащаются фильтрами, которые позволяют разделять бета-, рентгеновское, гамма- и нейтронное излучения, а также определять эквивалент индивидуальной дозы Hp(10), Hp(0.07) и Hp(3)

 

Определяя степень почернения (оптическую плотность) проявленной пленки и сравнивая ее с откалиброванными пленками, которые были облучены известными дозами, можно установить общую дозу, полученную индивидом, а также вклад каждого типа излучения в общую дозу. В Таблице 5 показаны различные фильтры, используемые в пленочных дозиметрах при определении доз на все тело Hp(10), кожу Hp(0.07) и глаза Hp(3).

Таблица 6

Применение стандартных фильтров в пленочных дозиметрах

 

Фильтр Материал Применение
1 Открытое окно Для доступа бета-частиц и очень мягкого рентгеновского излучения.
2 Пластмасса

(50 мг/см2)

Для количественного определения дозы и энергии гамма- и рентгеновского излучений.
3 Пластмасса

(300 мг/см2)

Для количественного определения дозы и энергии гамма- и рентгеновского излучений.
4 Дуралюминий

(0.040”)

Для количественного определения дозы и энергии гамма- и рентгеновского излучений.
6 Sn + Pb

(0.028” 0.012”)

Для количественного определения дозы и энергии гамма- и рентгеновского излучений.
5 Cd + Pb

(0.028” 0.012”)

Для регистрации медленных нейтронов по гамма-излучению, испускаемому после их поглощения кадмием.
7 Свинец

(0.012”)

Окаймление, для предотвращения почернения пленки за счет излучения падающего под углом.
8 Индий

(0.4 г)

Для мониторинга большого аварийно нейтронного облучения.

 

Пленочные дозиметры особенно полезны при индивидуальном дозиметрическом контроле, так как при их использовании может быть получена информация о виде и энергии излучения. Кроме того, поверхностное загрязнение кассеты может быть установлено по наличию неправильного почернения пленки. Другим преимуществом этого типа дозиметров является то, что пленки могут достаточно долго храниться и сохранять данные о уровнях индивидуальных доз. Это означает, что в случае необходимости они могут быть пересмотрены и уточнены.

Недостатком пленочного дозиметра является неблагоприятное влияние на него света и тепла.  Они также требуют оборудования фотолаборатории (с соответствующими химреактивами) и ручной обработки в процессе проявки. Другим важным недостатком является то, что пленки не могут использоваться повторно и, хотя они и дешевые, они имеют ограниченное применение.

1.2.2     Термолюминесцентные дозиметры (ТЛД)

Способность термолюминесцентных (ТЛ) материалов (веществ) регистрировать ионизирующее излучение уже обсуждалась в Модуле 1.5 «Методы регистрации ионизирующего излучения». Как Вы помните из этого модуля, электроны в термолюминесцентных материалах при поглощении энергии падающего излучения переходят в запрещенные зоны и находятся там до тех пор, пока материал не будет подвергнут нагреву и энергия не высвободится в виде света. Затем этот свет может быть преобразован в электрический сигнал, величину которого можно связать с величиной накопленной дозы.

Имеется большая гамма термолюминесцентных материалов. Термолюминесцентные дозиметры (ТЛД), на основе лития, являются предпочтительными для индивидуальной дозиметрии вследствие их хорошей тканеэквивалентности. ТЛД, основанные на кальции, более полезны при мониторинге окружающей среды за счет их высокой чувствительности. Наиболее распространенные типы ТЛ материалов следующие:

  • фтористый литий, активированный марганцем, (LiF:Mn)для индивидуальной дозиметрии;
  • борат лития, активированный марганцем, (Li2B4O7:Mn) для дозиметрии в области высоких доз;
  • фтористый кальций, активированный диспрозием, (CaF2:Dy) для мониторинга окружающей среды; и
  • сульфат кальция, активированный диспрозием, (CaSO4:Dy) также для мониторинга окружающей среды.

Термолюминесцентные материалы доступны во многих формах (например, порошок, прессованные пластинки, гранулы, пропитанные тефлоновые диски). Обычный ТЛД состоит из катрижа, содержащего ТЛ материал, и кассеты с фильтрами различной толщиной и из различных материалов (обычно медь или пластмасса) для измерения дозы проникающего излучения на все тело, на кожу и на глаза.

Прибор для считывания показаний с ТЛД состоит системы нагревания ТЛ материалов, устройства для превращения испускаемого света в электрический импульс и другой связанной электроники. Технология нагревания может заключаться в прямом нагреве датчиков, использовании горячего газа или СВЧ нагрева. Для того, чтобы уменьшить ТЛ эффекты нерадиационного происхождения, дозиметры в процессе считывания нагреваются в атмосфере инертного газа.

Когда ТЛ материал нагревается при достижении определенных температур, испускается световой импульс. Световой импульс усиливается и переводится в электрический сигнал с использованием фотоэлектрического умножителя (ФЭУ) (смотрите Модуль 1.5 «Методы регистрации ионизирующего излучения»). Выходной сигнал ФЭУ представляется в виде серии импульсов, которая направляется в систему обработки данных. Результирующее считывание сигналов можно представить в виде графика интенсивности испускаемого света в зависимости от времени нагрева. Он обычно называется кривой термовысвечивания. Кривая термовысвечивания является характеристикой ТЛ материала, и зависит от темпа нагрева и температуры считывания. На Рисунке 9 показана типичная кривая термовысвечивания для LiF:Mn ТЛД,  получившего дозу в 1 Зв.

Используя данные калибровки ТЛД, затем возможно определить реальную дозу, полученную индивидом, а в некоторых случаях также можно определить вид и энергию регистрируемого излучения.

Одно из преимуществ ТЛД – это их малый размер (необходим только миллиграмм ТЛ материала). Это означает, что они очень полезны как дозиметры в чрезвычайных ситуациях, когда некоторые части тела облучаются больше, чем другие (смотрите Рисунок 10). Другое преимущество ТЛД – это возможность их повторного использования.

 

Основным недостатком ТЛД является то, что информация о дозе может быть получена только однажды при нагреве и ее нельзя воспроизвести повторно. Они также подвержены федингу (т.е. потеря информации о дозе из-за влияния температуры или света). Нагревание после облучения как часть цикла считывания может уменьшить термический фединг, а хранение ТЛД в светонепроницаемом контейнере может уменьшить влияние света. Однако, фединг может ограничивать период времени до считывания, поэтому длительное хранение ТЛД перед считыванием информации не рекомендуется.

1.2.3     Пассивные дозиметры для мониторинга нейтронов

Дозиметрия нейтронов очень сложна из-за комплексного механизма взаимодействия нейтронов с биологической тканью (смотрите Модуль 1.4 «Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом») и из-за широкого диапазона весовых множителей излучения в зависимости от энергии нейтронов. Поэтому, чтобы гарантировать, достоверность измерений дозиметр нейтронов должен быть откалиброван в том диапазоне энергий нейтронов, в котором проводятся измерения.

Для дозиметрии нейтронов наиболее часто используемым является вариант – ТЛД дозиметрии, так как ТЛД могут использоваться для измерения нейтронного излучения всех энергий. Однако, важно знать ожидаемые энергии, так как фактический результат значительно зависит энергетического диапазона при энергиях до 20 МэВ.

В качестве дозиметров для мониторинга нейтронов так же используют ядерные фотоэмульсии, нанесенные на фотографическую пленку (дозиметры на основе ядерных фотоэмульсий). Такие дозиметры фиксируют треки, образованные протонами отдачи, которые испускаются при взаимодействии нейтронов подложкой фотоэмульсии. Эти треки видны визуально после проявления пленки (смотрите Рисунок 11). Затем путем подсчета количества треков под микроскопом можно определить дозу нейтронного излучения.

 

Недостатком дозиметров на основе ядерных фотоэмульсий является их слабый отклик в диапазоне энергий ниже 700 кэВ и их склонности к федингу из-за их чувствительности к свету и теплу.

Наиболее распространенным типом дозиметра нейтронов является твердотельный трековый детектор нейтронов. В этих дозиметрах используется пластик (такой как полиаллил дигликоль карбонат (PADC)) нанесенный на полипропиленовую основу. Если используются подходящие фильтры, этот тип дозиметра может регистрировать как тепловые так и быстрые нейтроны с достаточно неоднородными энергетическими характеристиками.

Основным принципом действия твердотельных трековых детекторов нейтронов является то, что когда детектор в кассете, падающие нейтроны взаимодействуют с кассетой и ее различными фильтрами и образуют протоны. Затем эти протоны вызывают нарушения в поверхности детектора и при последующем проявлении треки протравливаются в виде видимых углублений (смотрите Рисунок 12). Путем подсчета этих углублений в микроскоп, можно определить дозу.

Основным преимуществом твердотельных трековых детекторов нейтронов является то, что они не подвержены федингу и поэтому могут носиться в течение 3 месяцев и дольше.

1.3     Энергетический диапазон и угловые характеристики дозиметров

При определении индивидуальных доз с помощью активных и пассивных дозиметров важно иметь отклик дозиметра в широком диапазоне энергий и углов падения излучения. Как Вы уже знаете из предыдущих разделов,  некоторые дозиметры имеют ограниченные энергетические характеристики и Вы должны их учитывать перед тем, как соберетесь использовать их для измерения доз.

В пленочных и термолюминесцентных дозиметрах отклик дозиметра на различные энергии определяется с помощью фильтров. Во многих случаях такие материалы ТЛД, как LiF, выбираются для индивидуальной дозиметрии из-за их тканеэквивалентности, в широком диапазоне энергий. Угловые характеристики ТЛД зависят от типа и толщины ТЛ материала и применяемых фильтров и если используются материалы с высоким Z, ТЛД будут иметь плохие угловые характеристики для фотонов.