Спосіб вимірювання поглинутої дози в об’єкті при його електронному опромінюванні

Реферат: Винахід належить до техніки вимірювання поглинутої дози іонізуючого випромінення, а саме електронного випромінення при радіаційній обробці об'єктів. Винахід також може бути використаний в радіаційних випробуваннях та при вимірюваннях інших характеристик електронного випромінення. Заявлений спосіб вимірювання поглинутої дози в об'єкті при його електронному опромінюванні включає: вимірювання величини електричного сигналу, який формується при поглинанні електронів у розташованому за опромінюваним об'єктом детекторі електронів, при умові пропорційності цього сигналу заряду зібраних електронів та встановлення співвідношення між амплітудою цього сигналу і поглинутою у об'єкті дозою електронного випромінення. Причому об'єкт опромінюється електронами за умови, що потік електронного випромінення має поперечний розмір, який перевищує поперечний розмір опромінюваного об'єкта, після проходження електронного випромінення через опромінюваний об'єкт перед детектором електронів відфільтровують низькоенергетичні вторинні електрони, які створилися при опромінюванні об'єкта, обчислення поглинутої дози D здійснюють за формулою: D=c1·(Qb-Qab)/M, де Qb - заряд електронного випромінення, генерований джерелом випромінення; Qab - заряд зібраних у детекторі електронів; Μ - маса опромінюваного об'єкта; с1 - константа, яка визначається при калібруванні детектора електронів. Винахід дозволяє з необхідною точністю вимірювати поглинуту дозу в on-line режимі в усьому практичному діапазоні значень поверхневої щільності опромінюваних об'єктів. UA 111794 C2 (12) UA 111794 C2 UA 111794 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до техніки вимірювання поглинутої дози іонізуючого випромінення, а саме електронного випромінення при радіаційній обробці об'єктів. Винахід також може бути використаний в радіаційних випробуваннях та при вимірюваннях інших характеристик електронного випромінення. На даний час у технологічній дозиметрії електронного випромінення використовують, головним чином, хімічні дозиметри (див. стандарт ISO/ASTM 51649-05. Standard Practice for Dosimetry in an Electron Beam Facility for Radiation Processing at Energies between 300 keV and 25 MeV). Наприклад, у відомому способі вимірювання поглинутої дози в об'єкті при його електронному опромінюванні (див., наприклад, патент Росії RU 2473925) використовують дозиметри у вигляді полімерних плівок співполімеру з феназійним покриттям типу СО ПД(Ф)5/50 Державного Стандартного Зразка (ДСЗ). Після опромінювання плівки ДСЗ, у відповідності зі стандартною процедурою, визначають оптичну густину на довжині хвилі 512 нм у порівнянні з такою для неопроміненого зразка. За допомогою градуювальних характеристик визначають поглинуту дозу відповідно до Інструкції і паспорта на використання ДСЗ. Недоліком такого способу є лише одноразове використання дозиметра, а також вимірювання поглинутої дози лише у місці розміщення дозиметра і тільки в off-line режимі, тоді, як існує потреба визначення поглинутої дози під час опромінювання об'єкта, тобто в on-line режимі. Відомий також калориметричний спосіб вимірювання поглинутої дози електронного випромінення (стандарт ISO/ASTM 51631-13. Standard Practice for Use Calorimetric Dosimetry Systems for Electron Beam Dose Measurement and Routine Dosimeter Calibration). Наприклад, у способі вимірювання поглинутої дози в об'єкті при його електронному опромінюванні, описаному в tac.tomsk.ru>files/steril/s2.doc, проводилось вимірювання енергії електронного випромінення з наступним перерахунком для визначення поглинутої дози. Вимірювання енергії електронів проводилося за допомогою калометричного перетворювача енергії імпульсного лазерного випромінювання ТПІ-2М.1. Перед початком вимірювання цей калориметр калібрується від еталонного джерела енергії. На відміну від хімічних дозиметрів, калориметричний дозиметр забезпечує можливість багаторазового використання, а також вимірювання значення поглинутої дози, усередненого за робочим об'ємом калориметра. Разом з тим, за умовами стандарту такий об'єм є чітко фіксованим. Тому спосіб не може бути реалізований у широкому діапазоні умов опромінювання об'єктів, що є характерним для радіаційно-технологічних процесів. Крім того, калориметричний спосіб, як і хімічний, забезпечує вимірювання дози тільки в off-line режимі. За найближчий аналог прийнято відомий спосіб для вимірювання (як зазначають автори) поглинутої дози в об'єкті при його електронному опромінюванні (див. Method for Monitoring Absorbed Dose in an Electron Beam. Patent USA, N 5 661305, 26.08.1997). За цим способом вимірюється величина електричного сигналу, який формується при поглинанні електронів у розташованому за опромінюваним об'єктом детекторі електронів, при умові пропорційності цього сигналу заряду зібраних електронів. Після цього встановлюється співвідношення між амплітудою цього сигналу і поглинутою у об'єкті дозою електронного випромінення. Однак, цей спосіб у дійсності забезпечує вимірювання лише, так званої, інтегральної дози, тобто частини первинної енергії електрону, що поглинулася при його взаємодії з опромінюваним об'єктом, і має розмірність МеВ/частинку. При цьому маса частини об'єкта, в якій виділяється енергія випромінення, залишається невизначеною. У той же час, основним параметром радіаційних процесів є поглинута доза випромінення, тобто поглинута енергія випромінення у перерахунку на кілограм маси опромінюваного об'єкта. У системі СІ одиницею поглинутої дози є Грей, який має розмірність Дж/кг - ASTM Ε170-10. Standard Terminology Relating to Radiation Measurements and Dosimetry. Крім того, за цим способом вимірювання цієї інтегральної дози обмежується лише об'єктами, у яких при їх опромінюванні втрата енергії первинних електронів перевищує 60 %. Тобто для опромінюваних об'єктів, у яких поверхнева щільність така, що втрата енергії первинних електронів буде меншою ніж 60%, вимірювання кількісного значення інтегральної дози практично, неможливо. Це суттєвий недолік цього способу. Див. фіг. 1, де автори цього способу наводять графік залежності інтегральної дози від зібраного заряду і переривчастою лінією показують наближення, яке використовується в цьому способі для якісної оцінки інтегральної дози у області, де втрата енергії електронами менша ніж 2 60% від її первинного значення. По суті у випадку об'єктів з поверхневою щільністю < 3 г/см , унеможливлюється вимірювання у цій області. В основу винаходу поставлена задача удосконалити спосіб вимірювання поглинутої дози в об'єкті при його електронному опромінюванні, щоб забезпечити точний вимір в on-line режимі поглинутої дози випромінення в усьому практичному діапазоні значень поверхневої щільності 1 UA 111794 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 опромінюваних об'єктів. Удосконалення повинно здійснюватись створенням оптимальних умов опромінювання і особливістю реєстрації заряду від поглинутих електронів у детекторі. Поставлена задача вирішується в патентованому способі вимірювання поглинутої дози в об'єкті при його електронному опромінюванні, за яким, також, як і в найближчому аналогу вимірюється величина електричного сигналу, який формується при поглинанні електронів у розташованому за опромінюваним об'єктом детекторі електронів при умові пропорційності цього сигналу заряду зібраних електронів. Надалі встановлюється співвідношення між амплітудою цього сигналу і поглинутою в об'єкті дозою електронного випромінення. На відміну від найближчого аналога об'єкт опромінюється електронами за умови, що потік електронного випромінення має поперечний розмір, який перевищує поперечний розмір опромінюваного об'єкта. Після проходження електронного випромінення через опромінюваний об'єкт перед детектором електронів відфільтровують низькоенергетичні вторинні електрони, які створилися при опромінюванні об'єкта. Обчислення поглинутої дози D здійснюють за формулою: D=с1·(Qb-Qab)/M, де Qb - заряд електронного випромінення, генерований джерелом випромінення ; Qab - заряд зібраних у детекторі електронів; Μ - маса опромінюваного об'єкта; c1 - константа, яка визначається при калібруванні детектора електронів. Для відфільтровування низькоенергетичних електронів можна використовувати пластину з матеріалу, поверхнева щільність ф якої визначається за формулою: ф=c2·Re,ф, де Re,ф - величина пробігу електронів, якими опромінюють об'єкт, в матеріалі пластини; с2 - константа, яка визначається при калібруванні детектора електронів. В іншому варіанті для відфільтровування вищезазначених низькоенергетичних електронів можна використовувати шар повітря, товщина якого визначається при калібруванні детектора електронів і відповідає значенню, при якому залежність між величиною заряду детектора і поглинутою в об'єкті енергією випромінення стає, практично, лінійною. Об'єкт можна опромінювати при скануванні електронного випромінення і переміщення об'єкта через площину сканування під прямим кутом до неї, а поглинуту дозу D визначати за формулою: D=c1·[Qb(T)-Qab(T)]·L/M·V·T, де Qb(T) - заряд електронного випромінення, генерованого джерелом випромінювання за проміжок часу Т; Qab(T) - заряд зібраних у детекторі електронів за той же проміжок часу Т; L - довжина об'єкта опромінювання у напрямку його переміщення; V - швидкість переміщення об'єкта опромінювання. Фільтрування низькоенергетичних електронів перед детектором забезпечує умову однозначного зв'язку між зарядом зібраних у детекторі електронів і поглинутою дозою випромінення в об'єкті в усьому практичному діапазоні значень поверхневої щільності опромінюваних об'єктів. На фіг. 2 показані, одержані методом моделювання, п'ять графіків кореляційної залежності між зібраним у детекторі зарядом і поглинутою в об'єкті енергією у перерахунку на один електрон первинного випромінення з енергією 10 МеВ (що відповідає співвідношенню між зарядом зібраних у детекторі електронів і поглинутою дозою випромінення в об'єкті) при різній поверхневій щільності як фільтра низькоенергетичних електронів так і 2 опромінюваних об'єктів. Поверхневій щільності фільтра низькоенергетичних електронів 0,0 г/см (тобто відсутності фільтра) відповідає штрихова лінія з короткими рисами, і, відповідно, 2 2 щільності 0.54 г/см - штрих-пунктирна лінія з двома крапками, щільності 1,08 г/см 2 штрихпунктирна лінія з однією крапкою, щільності 1,62 г/см - штрихова лінія з довгими рисами і 2 щільності 2,7 г/см - суцільна лінія. Біля чотирьох горизонтальних штрихових ліній позначені значення поверхневої щільності опромінюваного об'єкта. З цих даних видно, що при 2 поверхневій щільності фільтра, вищої за 0,54 г/см , на відміну від залежності, що одержана у відомому способі (див. фіг. 1), кореляційна залежність між зібраним у детекторі зарядом і поглинутою в об'єкті енергією стає однозначною в усьому практичному діапазоні значень поверхневої щільності опромінюваних об'єктів. Це дозволяє в цьому практичному діапазоні з необхідною точністю вимірювати поглинуту дозу. Зазначимо також, що більший поперечний розмір потоку випромінення порівняно з розміром опромінюваного об'єкта, як пропонується у патентуємому винаході, забезпечує опромінювання всього об'єкта, а не його частини, як у відомому способі, Тобто вимірюється значення поглинутої дози, усередненої за усім об'ємом опромінюваного об'єкта. 2 UA 111794 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Доцільним є фільтрування низькоенергетичних електронів з використанням пластини з поверхневою щільністю, що відповідає умові, наведеної вище. У цьому випадку зв'язок між поглинутою енергією електронного випромінення в опромінюваному об'єкті і зарядом зібраних у детекторі електронів приймає характер, що є близький до лінійного при поверхневій щільності 2 фільтра ~1,62 г/см (див. на фіг. 2 штрихову лінію з довгими рисами). Це забезпечує можливість простого і точного калібрування пропонованого способу вимірювання поглинутої дози, наприклад, шляхом визначення величини заряду пучка електронів Q b за значенням Qab при відсутності опромінюваного об'єкта, а також визначення коефіцієнту с 1 за прямим вимірюванням поглинутої дози у зразковому об'єкті наданої маси Μ (фантомі) при тих самих параметрах первинного випромінення. При використанні шару повітря як фільтра низькоенергетичних електронів спостерігаються (див фіг. 3) залежності між зарядом у детекторі і поглинутою енергією в опромінюваному об'єкті, подібні до випадку використання фільтру у вигляді пластини. На фіг. 3 штрихова лінія відповідає відстані між об'єктом і детектором 40 см, суцільна лінія - відстані 83 см, штрих-пунктирна лінія відстані 146 см. При товщині шару повітря 83 см залежність між величиною заряду детектора і поглинутою в об'єкті енергією випромінення стає, практично, лінійною у всьому практичному діапазоні значень поверхневої щільності опромінюваних об'єктів (чисельні значення біля горизонтальних штрихових ліній). На практиці найбільш поширеними умовами обробки виробів у радіаційно-технологічних процесах є створення потоку випромінення шляхом сканування пучка електронів з одночасним переміщенням оброблюваних виробів, які зазвичай мають однакові (або близькі) розміри і однакове (або близьке) значення поверхневої щільності, через зону опромінення з постійною швидкістю. При цьому, сканування пучка виконується таким чином, що розподіл потоку електронів на опромінюваній поверхні об'єктів є близьким до однорідного і спадає до нуля за їх межами (див., наприклад, ISO/ASTM 51649-05. Standard Practice for Dosimetry in an Electron Beam Facility for Radiation Processing at Energies between 300 keV and 25 MeV). Таким чином, автоматично створюється умова перевищення поперечного розміру потоку випромінення на об'єкті над розміром об'єкта, як у пропонованому способі. У цьому випадку величина c 1·[Qb(T)Qab(T)]/T, де Qb(T) - заряд електронного випромінення, генерованого джерелом випромінювання за проміжок часу Т, a Qab(T) - заряд зібраних у детекторі електронів за той самий проміжок часу Т, визначає потужність поглинутої енергії випромінення в об'єкті, яка з урахуванням швидкості його переміщення V, маси об'єкта Μ і його довжини у напрямку переміщення L забезпечує величину поглинутої дози в об'єкті, обчислювану за формулою D=с1·[Qb(T)-Qab(T)]·L/M·V·T. Суть винаходу пояснюється графічними матеріалами. На фіг. 1 показаний, наведений в найближчому аналогу, графік залежності інтегральної дози від заряду, зібраного при поглинанні електронів в детекторі. На фіг. 2 показані, відповідно до патентованого винаходу, графіки залежності поглинутої в об'єкті енергії від зібраного у детекторі заряду при різній поверхневій щільності фільтра низькоенергетичних електронів. На фіг. 3 показані, відповідно до патентованого винаходу, графіки залежності поглинутої в об'єкті енергії від зібраного у детекторі заряду при використанні різних шарів повітря як фільтрів низькоенергетичних електронів, тобто при різній відстані між об'єктом і детектором. Розглянемо приклад реалізації патентованого винаходу, коли для опромінювання об'єкта використовують первинне електронне випромінення з енергією 10 МеВ прискорювача електронів. Це випромінення діє на об'єкт, за яким розміщений послідовно фільтр низькоенергетичних електронів і детектор заряду електронного випромінення. Як такий детектор можна використати, наприклад, пластину або набір пластин з матеріалу, який є провідником електричного струму. Поперечний розмір пластини(ин) повинен перевищувати поперечний розмір випромінення за об'єктом. Товщина пластини (або загальна товщина пластин) повинна перевищувати величину пробігу первинних електронів у матеріалі детектора. Цей детектор підключений до інтегратора заряду, який має на виході вольтметр і пристрій обробки інформації (мікропроцесор або персональний комп'ютер). При опромінюванні об'єкта електронне випромінення з прискорювача у приповерхневому 2 шарі об'єкта з товщиною, яка відповідає поверхневій щільності близько 3 г/см , створює направлений уперед потік низькоенергетичних вторинних електронів. Внаслідок цього загальна величина потоку електронів з цього шару перевищує значення первинного потоку. Розміщення за об'єктом фільтра, який поглинає низькоенергетичні електрони, дозволяє встановити однозначний кореляційний зв'язок між зарядом електронів, які поглинаються в детекторі, і поглинутою в об'єкті енергією випромінення. При дії на детектор електронів випромінення, яке пройшло через опромінюваний об'єкт і фільтр, а також частково повз об'єкт, у детекторі поглинаються електрони, величина заряду 3 UA 111794 C2 5 10 15 20 25 30 35 яких Qab вимірюється з використанням інтегратора і вольтметра, обчислення поглинутої дози D здійснюють за формулою: D=с1·(Qb-Qab)/M, де Qb - заряд електронного випромінення, генерований джерелом випромінення; Μ - маса опромінюваного об'єкта; с1 - константа, яку обчислюють при калібруванні детектора електронів через заздалегідь встановлену шляхом калібрування кореляційну залежність, що описує зв'язок між поглинутою у об'єкті енергією випромінення, зарядом пучка Qb і зарядом зібраних у детекторі електронів Qab. При забезпеченні певної поверхневої щільності ф пластини - фільтра низькоенергетичних електронів, що визначається формулою ф=с2·Re,ф кореляційна залежність між зібраним у детекторі зарядом електронів Qab і поглинутою в об'єкті енергією випромінення стає близькою до лінійної (див. на фіг. 2 штрихову лінію з довгими рисами). Це забезпечує можливість визначення величини поглинутої в об'єкті дози випромінення з достатньою точністю за формулою D=c1·(Qb-Qab)/M. Як фільтр низькоенергетичних електронів можна використати шар повітря. В такому варіанті детектор електронів розміщують на певній відстані від опромінюваного об'єкта, яка визначається при калібруванні. При товщині шару повітря 83 см спостерігається, практично, лінійна залежність між вимірюваною величиною заряду, зібраному в детекторі, і поглинутою в об'єкті енергією випромінення у всьому практичному діапазоні значень поверхневої щільності опромінюваних об'єктів (див. суцільну лінію на фіг. 3). При створенні електронного випромінення шляхом сканування пучку прискорених електронів і опроміненні об'єкта шляхом його переміщення через площину сканування пучка під прямим кутом до неї вимірюють заряд пучка первинних електронів Qb(T) і заряд зібраних у детекторі електронів Qab(T) за проміжок часу Т. При цьому обчислення поглинутої дози в об'єкті здійснюють за наведеною вище формулою D=c1·[Qb(T)-Qab(T)]·L/M·V·T. Пропонований спосіб було перевірено при опромінюванні об'єкта-фантома у вигляді паралелепіпеда з пінополістиролу розміром 70 см завдовжки, 32 см заввишки і 20 см завтовшки 2 з поверхневою щільністю 2 г/см . Цей об'єкт опромінювався скануючим пучком електронів з енергією 10 МеВ при ширині зони вертикальною сканування пучка на поверхні об'єкта 34 см. Заряд електронного випромінення за об'єктом збирався детектором у вигляді набору пластин з алюмінію. Детектор було розміщено на відстані 83 см від об'єкта ( тобто відповідало лінійній залежності між поглинутим у детекторі зарядом і поглинутою у об’єкті енергією випромінення див. суцільну лінію на фіг.3). Об'єкт за допомогою конвеєру переміщувався із різною швидкістю через зону опромінювання разом із референтним калориметричним дозиметром типу RISO. Вимірювання дози, одержаної об'єктом виконувалося незалежно в on-line режимі патентованим способом і в off-line режимі з використанням калориметра RISO. Результати вимірювань демонструють задовільний збіг даних, що одержані обома способами (див. таблицю). Таблиця Швидкість конвеєра, см/с 4,88 3,65 2,43 1,82 Поглинута доза, виміряна патентованим способом, кГр 6,76 8,72 13,32 18,41 Поглинута доза, виміряна за RІSO, кГр 6,49 9,16 13,38 17,87 40 Таким чином, спосіб вимірювання поглинутої дози в об'єкті при його електронному опромінюванні, що заявляється, за рахунок вищезазначених відмітних особливостей вимірювання дозволяє з необхідною точністю вимірювати поглинуту дозу в on-line режимі в усьому практичному діапазоні значень поверхневої щільності опромінюваних об'єктів. 45 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 1. Спосіб вимірювання поглинутої дози в об'єкті при його електронному опромінюванні, що включає: вимірювання величини електричного сигналу, який формується при поглинанні електронів у розташованому за опромінюваним об'єктом детекторі електронів, за умови пропорційності цього сигналу заряду зібраних електронів, встановлення співвідношення між амплітудою цього сигналу і поглинутою у об'єкті дозою електронного випромінення, який відрізняється тим, що 4 UA 111794 C2 5 10 15 20 об'єкт опромінюється електронами за умови, що потік електронного випромінення має поперечний розмір, який перевищує поперечний розмір опромінюваного об'єкта, після проходження електронного випромінення через опромінюваний об'єкт перед детектором електронів відфільтровують низькоенергетичні вторинні електрони, які створилися при опромінюванні об'єкта, обчислення поглинутої дози D здійснюють за формулою: D=c1∙(Qb-Qab)/M, де Qb - заряд електронного випромінення, генерований джерелом випромінення; Qab - заряд зібраних у детекторі електронів; Μ - маса опромінюваного об'єкта; с1 - константа, яка визначається при калібруванні детектора електронів. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що для відфільтровування низькоенергетичних електронів використовують пластину з матеріалу, поверхнева щільність ф якої визначається за формулою: ф=с2∙Rе,ф, де Rе,ф - величина пробігу електронів, якими опромінюють об'єкт, у матеріалі пластини; c2 - константа, яка визначається при калібруванні детектора електронів. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що для відфільтровування вищезазначених низькоенергетичних електронів використовують шар повітря, товщина якого визначається при калібруванні детектора електронів і відповідає значенню, при якому залежність між величиною заряду детектора і поглинутою в об'єкті енергією випромінення стає, практично, лінійною. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що об'єкт опромінюють при скануванні електронного випромінення і переміщують через площину сканування під прямим кутом до неї. 5 UA 111794 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6