Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Применение метода ЭПР-дозиметрии по эмали зубов для оценки тканевых доз нейтронного излучения

ВАК РФ 03.01.01, Радиобиология

Автореферат диссертации по теме "Применение метода ЭПР-дозиметрии по эмали зубов для оценки тканевых доз нейтронного излучения"

На правах рукописи

003430684

ХАИЛОВ АРТЕМ МИХАИЛОВИЧ

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЭПР-ДОЗИМЕТРИИ ПО ЭМАЛИ ЗУБОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТКАНЕВЫХ ДОЗ НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

03.01.01 - радиобиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Обнинск - 2009

2 8 ЯНВ 7010

003490684

Работа выполнена в лаборатории экспериментальной ядерной медицины с группой «Изотоп» Учреждения Российской академии медицинских наук -Медицинский радиологический научный центр РАМН.

Научный руководитель:

кандидат биологических наук Скворцов Валерий Григорьевич Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, доцент Комарова Людмила Николаевна доктор биологических наук Ульянеико Степан Евгеньевич

Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии Россельхозакадемии.

Защита состоится 25 февраля 2010 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 001.011.01 при Учреждении Российской академии медицинских наук Медицинском радиологическом научном центре РАМН

по адресу: 249036, Калужская обл., г. Обнинск, ул. Королева, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Медицинского радиологического научного центра РАМН.

Автореферат разослан «_Х_» 2009 г.

<7 /

Ученый секретарь

диссертационного совета Палыга Г.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние десятилетия из-за различных инцидентов, связанных с неправильным использованием и утилизацией источников излучений, большое число людей подверглось значительному воздействию ионизирующего излучения различных видов. В ряде случаев это происходит случайно, когда индивидуальный дозиметрический контроль отсутствует.

В настоящее время, одним из наиболее часто выбираемых для ретроспективной оценки индивидуальных накопленных доз гамма-излучения методом, является метод на основе спектроскопии электронного парамагнитного резонанса эмали зубов человека, удалённых по медицинским показаниям (ЭПР-дозиметрия). Несмотря на многолетнее, успешное использование ЭПР-дозиметрии для оценки поглощенных доз и широкое распространение, этот метод является относительно новым и требует дальнейшего усовершенствования. Для того чтобы корректно интерпретировать результаты проведения ЭПР-дозиметрии и использовать зубную эмаль в качестве дозиметра различных встречающихся на практике радиационных полей, необходимо знать ее радиационную чувствительность ко всем их составляющим.

В отличие от нейтронов, альфа частицы, протоны и тяжелые ионы имеют очень маленький пробег в плотных средах и не могут достичь области ротовой полости, если только не произошло внутреннего введения, тем самым исключая саму возможность их детектирования. Нейтроны же, являясь косвенно ионизирующим излучением, способны на это при любых энергиях, что делает особенно актуальным вопрос о правильной интерпретации, точности и достоверности данных измерений методом ЭПР-спектроскопии при облучении человека в смешанных гамма-нейтронных полях.

Цель и основные задачи исследования.

Цель данной работы заключалась в разработке методики перехода от интенсивности радиационно-индуцированного сигнала, регистрируемого методом ЭПР-спектроскопии по эмали зубов, к дозам, поглощенным в эмали зуба (ЭЗ) и в мягкой биологической ткани (МБТ) в условиях воздействия нейтронного излучения на организм человека.

Достижение поставленной цели требовало решения следующих задач:

1. Определение радиационной чувствительности (РЧ) ЭЗ к нейтронному излучению для нейтронов различных энергий, построение энергетической зависимости РЧ ЭЗ на основе собственных и полученных другими исследовательскими группами данных;

2. Установление вкладов факторов, отвечающих за радиационный выход парамагнитных центров в ЭЗ под действием нейтронного излучения разной энергии (внешние протоны отдачи, вторичное гамма излучение);

3. Определение энергетической зависимости коэффициентов перехода от дозы в ЭЗ к поглощенным дозам в органах и тканях тела человека в условиях, близких к реальным условиям облучения зуба;

4. Оценка возможности разделения вкладов нейтронного и гамма компонентов r суммарную поглощенную дозу в условиях воздействия на организм человека смешанных гамма-нейтронных полей излучения путем использования совместных ЭПР-измерений дентина и эмали.

Научная новизна. В данной работе впервые представлены систематизированные результаты изучения различных факторов и физических процессов, влияющих на формирование радиационно-индуцированного сигнала ЭПР в ЭЗ под воздействием радиоактивного излучения с присутствием нейтронного компонента.

Экспериментальным путем определена относительная радиационная чувствительность (ОРЧ) эмали к нейтронам различных энергий и проведен анализ аналогичных данных, полученных другими авторами. Обнаружено, что результаты существенно зависят от энергии нейтронов, вида образцов эмали (целый зуб, порошок с различным размером частиц) и условий облучения (окружающего образцы материала), Проведенный теоретический анализ данных эффектов позволил объяснить некоторые различия в экспериментальных данных разных авторов и провести оценку энергетической зависимости ОРЧ эмали.

Впервые в данной работе расчетным путем (с использованием метода Монте-Карло и фантома MIRD (Médical Internal Radiation Dose Committee phantom, дополненного дентальной областью) был оценен вклад вторичного гамма-излучения в суммарную дозу нейтронов, что сделало возможным переход от значений индивидуальных накопленных доз, регистрируемых методом ЭПР-спектроскопии, к дозам поглощенным МБТ. Проведен расчет коэффициентов для коррекции получаемых методом ЭПР-дозиметрии значений доз для встречающихся в реальных условиях облучения спектров нейтронов.

Впервые исследована возможность совместного использования дентина и ЗЭ для определения состава смешанного гамма-нейтронного излучения, воздействовавшего на организм человека. Впервые определены условия, определяющие границы применимости метода ЭПР при определении индивидуальной дозы смешанного гамма-нейтронного излучения.

Положения, выносящиеся на защиту. Автор защищает:

1. Собственные экспериментальные данные по ОРЧ эмали к нейтронному излучению, а также построенную с их помощью ее энергетическую зависимость;

2. Существование эффекта образования парамагнитных центров в ЭЗ под действием внешних протонов отдачи биологической ткани, а также способ учета его вклада в определяемое значение ОРЧ эмали;

3. Результаты расчета поглощенных доз нейтронов и вторичных фотонов в ЭЗ, коэффициентов перехода от значения дозы определяемого по ЭЗ, к поглощенным дозам в органах и теле человека в условиях воздействия на организм человека внешнего нейтронного излучения;

4. Возможность определения наличия высокоэнергетического нейтронного компонента по отношению доз ЭПР дентина и ЭЗ.

Практическая значимость. Актуальность исследований методом ЭПР-спектроскопии обусловлена необходимостью получения дозиметрических оценок, необходимых для анализа радиобиологических эффектов, индуцированных радиацией, и уточнения коэффициентов риска отдаленных медицинских последствий, а также для того, чтобы создать научную базу для принятия решений о мерах социальной и медицинской защиты людей.

В данной работе разработаны рекомендации по использованию ЭПР-дозиметрии для случая воздействия внешнего нейтронного излучения, включающие в себя интерпретацию полученных результатов и определение коэффициентов перехода от индивидуальных накопленных доз в эмали зуба к поглощенным дозам в различных органах и тканях.

Разработанные рекомендации используются при проведении медико-дозиметрических исследований у населения, проживающего на радиоактивно загрязненных территориях, у участников ликвидации последствий аварии на ЧАЭС находившихся в зоне воздействия нейтронного излучения.

Публикации и апробация работы. По результатам диссертационной работы опубликовано 7 научных работ, из них 3 статьи в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах, рекомендованных ВАК МОиН РФ.

Диссертация апробирована на научно-практической конференции экспериментального радиологического сектора МРНЦ РАМН 5 октября 2009 года (протокол № 240).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка использованной литературы и приложения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 12 таблиц; список цитированной литературы содержит 114 источников, из них 22 на русском и 92 на английском языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации проведен обзор литературы, посвященный проблемам и задачам, а также области применения метода ЭПР-дозиметрии нейтронов по эмали зубов человека. Для корректной интерпретации данных, получаемых методом спектроскопии ЭПР эмали, необходимо охарактеризовать эмаль как биодозиметрический датчик. Под этим подразумевается: анализ радиационной чувствительности эмали к' нейтронам и ее стабильности в

условиях эксперимента; определение коэффициентов расчета дозы излучения по измеренному значению интенсивности радиационно-индуцированного сигнала эмали, в т.ч. для реально действующих энергетических спектров излучения; определение погрешности и пределов применимости метода ЭПР-дозиметрии нейтронов.

На основе данных литературы был сделан вывод о том, что для всех видов излучения выход парамагнитных центров не зависит от фракционирования облучения ввиду отсутствия процессов репарации и клеточного обновления в эмали зубов, а определяется величиной дозы, типом и энергией излучения. На основании обзора литературы сформулированы основные направления, цели и задачи работы.

Глава 2. «Материалы и методы исследования» приводит описание методик ЭПР измерений (включая приготовление образцов эмали и обработку спектров) и дозиметрии нейтронного и гамма-излучения. Также в ней сделан краткий обзор применявшихся инструментов математического моделирования экспериментов - программного комплекса МСКР-4В (метод Монте-Карло) и реалистичного фантома человека МНИ).

В данной главе приведены описание геометрий облучения, в которых проводился расчет поглощенных доз в ЭЗ, и описание экспериментальных фантомов.

Глава 3. «Изучение энергетической зависимости относительной радиационной чувствительности эмали зубов человека к внешнему нейтронному излучению» посвящена экспериментальному определению ОРЧ эмали и построению ее энергетической зависимости.

Процесс реконструкции дозы с использованием ЭПР-спектроскопии эмали зубов человека можно условно разделить на три этапа:

• • оценка интенсивности радиационно-индуцированного сигнала ЭПР в ЭЗ;

• определение поглощенной дозы в образце ЭЗ;

• переход от дозы, поглощенной в ЭЗ, к дозам в различных органах и тканях тела человека.

Остановимся на втором этапе и введем понятие ОРЧ эмали к нейтронному излучению.

Интенсивность радиационно-индуцированного сигнала пропорциональна числу парамагнитных центров, образованных излучением, которое, в свою очередь, пропорционально в широком диапазоне доз, поглощенных в эмали, т.е. МЭПР{Д) = к-Д

Как известно, чувствительность существенно зависит от режима измерений (амплитуда модуляции, мощность высокочастотного излучения и др.). Поэтому ее обычно не представляют числом парамагнитных центров на единицу дозы, а приводят в относительных единицах по отношению к «стандартному» гамма-излучению Со-60 или Се-137.

Под энергетической зависимостью ОРЧ эмали в таком случае понимается зависимость показаний эмалевого дозиметра при стандартной калибровке на единицу поглощенной дозы, измеренной тканеэквивалентным или эмалевым дозиметром.

Поглощенную дозу при облучении нейтронами необходимо рассматривать как сумму двух доз: создаваемой непосредственно нейтронами в процессе замедления и обусловленной вторичным гамма-излучением. Тогда доза, определяемая методом ЭПР-спектроскопии, может быть представлена следующей формулой:

Д эЛР = ^= • Д г + ДГ

11 Со-60 Со-60 "Со-60 ^

где Лэпр ~ Мэлр/кСо-бо _ радиационный выход парамагнитных центров в зубной эмали, выраженный в единицах поглощенной дозы;

/^со-ю и кг Лсо-бо _ 0рц эмали к нейтронам и фотонам по отношению к

п™ Д"

гамма-излучению Со-60; м" и 1 - поглощенные дозы нейтронов и вторичного гамма-излучения в эмали, соответственно.

Поскольку Ас»-60 близка к единице, ОРЧ к нейтронам может быть экспериментально определена как

к? М,

-Дг

д:

(2)

Можно использовать в формулах дозу нейтронов не в эмали, а в ткани, нормируя результат на дозу, поглощенную тканеэквивалентным дозиметром.

К" =мэвг-д- ^

ксо-Ю Д л

Для оценки отношения поглощенных доз нейтронов в ткани и эмали приближенно может быть использовано отношение значений удельной кермы. Расчетные значения керма-факторов нейтронов в МБТ и тканях зуба - эмали и дентине приведены на (рис. 1).

Биологическая ткань, состоящая из более легких химических элементов, в гораздо большей степени поглощает энергию нейтронов, хотя с увеличением энергии значения удельной кермы имеют тенденцию к сближению. В диапазоне энергий 0,5-10 МэВ отношение керма-факторов в МБТ и ЭЗ составляет от 15 до 4.

1Е-10

1Е-11

5 1Е-12

О. (-<

cf 1E-13 2 a, и

1E-H

МБТ

эмаль

дентин

.У

u □ о А

I А ж

1Е-15 I и"ч .....ч ■ »"ч

1е-8 1е-7 1е-6 1е-5 1е-4 1е-3 0,01 0,1 1 10 100

Энергия нейтронов, МэВ

Рис. 1. Энергетическая зависимость кермы нейтронов в мягкой биологической ткани и тканях зуба человека.

Для определения ОРЧ ЭЗ к нейтронам, нами был проведен ряд экспериментов по облучению эмали в воздухе (таблица 1).

Таблица 1. Опыты по определению ОРЧ эмали к нейтронам in situ.

Источник нейтронов Средняя энергия, МэВ f-,% Со-60 ^Co-W

1. пучок реактора БЛепе 0,7 0,8 + 0,6 9,4 ±7,1

2. источник Ат-Ве 5,0 7,8 ± 2,9 49,0 ±18,7

3. источник Ри-Ве 4,2 5,3 ± 3,9 40,8 ±27,1

4. генератор нейтронов НИШАС 0,5 0,5 ± 0,6 6.5 ±7.8

5. генератор нейтронов ИНГ-03 14 14 ± 3 51 ±12

Низкая чувствительность эмали к медленным и промежуточным нейтронам, по-видимому, вызвана малой вероятностью образования стабильных повреждений и доминированием процессов рекомбинации. При возрастании энергии нейтронов, протоны и другие тяжелые ядра отдачи эмали (О, С, Са, Р) приобретают достаточную для образования свободных электронов энергию, что приводит к росту чувствительности.

При облучении эмали зуба во рту человека (in vivo), в образовании парамагнитных центров в ней принимают участие заряженные частицы, прежде всего протоны, образующиеся в реакциях рассеяния в экранирующем слое мягкой биологической ткани (слюны) (рис. 2).

Рис. 2. Профили распределения энергии внешних протонов отдачи в эмали.

Вид расчетных профилей поглощения энергии внешних протонов в эмали при нормировке не зависит от энергии нейтронов и свидетельствует о сильном спаде энергии протонов с глубиной. Данный факт позволяет рекомендовать с осторожностью проводить часто применяемое при приготовлении образцов, а также перед проведением измерений спектров ЭПР, травление образцов ЭЗ в растворе уксусной кислоты.

На рис.3 представлены зависимости отношений ОРЧ эмали для случаев облучения в водород-содержащей среде и в воздухе от энергии нейтронного излучения (а) и от размеров гранул порошка эмали (б).

Принимая во внимание существующие погрешности в определении дозы методом ЭПР-спектроскопии в размере 12-15% (для единичных измерений с помощью метода калибровочной кривой) приходим к выводу, что при проведении ЭПР-дозиметрии по ЭЗ, эффект вторичных заряженных частиц для случаев облучения нейтронами энергий менее 5 МэВ не превышает 3 % и может не учитываться вообще.

Из представленных на рис. 3 (б) зависимостей, напротив, видно, что при определенных условиях, рост ОРЧ эмали может быть значительным (например, более чем двукратным при энергии нейтронов 5 МэВ и размере гранул менее 200 мкм). Следовательно, данный эффект должен учитываться при проведении экспериментальных исследований, в противном случае он может привести к значительному завышению результатов.

облучение:

(а) изотропное

(б) мононаправленное

0,0 0.1 0,2 0.3 0,4 0,5 0,6 0.7 0.3 0,9 1,0

Толщина слоя ЭЗ, отн.ед.

Рис. 3. Зависимости отношений ОРЧ эмали к нейтронам для случаев облучения в водород-содержащей среде и в воздухе от (а) энергии нейтронов и (б) размера гранул эмали.

В целях проверки теоретических оценок нами был проведен ряд экспериментов по облучению образцов порошка ЭЗ в виде гранул различного размера, помещенных в ампулы из полиметилметакрилата, залитые водой (рис. 4).

Видно, что вклад вторичных протонов ~ существенно растет с уменьшением размера гранул, что объясняется увеличением площади поверхности эмали, контактирующей с водородсодержащей средой.

160 140 120 100 80 6040200

■ 0,7 МэВ

• 4,2 МэВ

* 14 МэВ

-■!................I

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Размер гранул эмали, мм

Рис. 4. Зависимость значений ОРЧ для образцов эмали различных размеров гранул, облученных в водной среде. Сплошные линии - значения ОРЧ для случая облучения в воздухе. 10

В целом, экспериментальные результаты согласуются с теоретическими оценками, а наблюдаемые различия могут быть объяснены тем, что ввиду малой величины значений ОРЧ для нейтронов, получаемые зависимости оказываются очень чувствительными к экспериментально измеряемым значениям доз фотонов и определяемым методом ЭПР суммарным дозам нейтронов.

Для проверки полученных результатов, а также подтверждения того факта, что рост сигнала ЭПР обусловлен именно протонами извне, а не непосредственно изменением размера гранул или влиянием эффекта анизотропии, было проведено дополнительное исследование, а именно -последовательное травление образцов в уксусной кислоте для удаления внешнего слоя эмали, ответственного за наблюдаемый эффект. Величина стравливаемого слоя соответствовала максимальному пробегу протонов в эмали.

Для облученных нейтронами реакторного источника средней энергией 0,7 МэВ гранул ЭЗ размером 1 мм наблюдался спад сигнала, прекратившийся после 25 минут травления (рис. 5). При этом значения доз ЭПР сравнялись с аналогичными значениями для облученных в воздухе образцов. Основной спад ЭПР-сигнала происходил в первые 10 минут травления, т.е. можно считать, что основная часть энергии внешних протонов поглощается в слое равном примерно половине от их максимального пробега.

1,05-

I

■ ■

■

■ 1 • 2

о з

П.!

О,!

3 5 10 15 гп 25 за Еремя травления, мин толщина .стравливаемою слоя, дал

■ 1 I I I

Рис. 5. Относительный спад ЭПР значений доз для образцов эмали, облученных (1) в воде и (2) в воздухе, (3) средние массы образцов, как функция времени травления.

В аналогичном эксперименте по облучению целых зубов в фантоме головы человека нейтронами средней энергии 1 МэВ спад ЭПР-сигнала практически не наблюдался. Данный результат свидетельствует о невозможности определения путем травления наличия внешних протонов отдачи при облучении ЭЗ in vivo.

В главе 4 «Оценка суммарных тканевых доз методом ЭПР-дозиметрии по эмали зубов человека» нами было выполнено математическое моделирование облучения мужского фантома MIRD, дополненного дентальной областью для того, чтобы осуществить переход от показаний эмалевого дозиметра к дозам в различных органах. Для этой цели использовалась основанная на методе Монте-Карло программа MCNP-4B. Внешний вид фантома и области челюсти представлены на рис. 6.

Расчет значений поглощенных доз на единичный флюенс нейтронов, обычно называемых в литературе коэффициентами перехода, проводился в эмали коренных зубов для всех стандартных геометрий облучения: передне-задняя (АР), задне-передняя (РА), боковая левая (LLAT), боковая правая (RLAT), ротационная (ROT) и изотропная геометрии (ISO).

Л

1/

Рис. 6. Общий вид фантома МЩБ, скелетная система, внутренние органы и дентальная область.

101£ "

С

© о.о1 -

н

•=! 1е-3

.НИ""

4» £ П

4» $ □

^ й ♦

О о

» л ♦

о д

» 5 ° о о о

1е-4 -1 а _

'"Ч "Ч ""Ч '"Ч '"Ч "-ГЛ

АР

РА

1ХАТ

ЯЬАТ

ЛОТ

1БО

1е-8 1е-6 1е-4 0,01 1 2 4 6 8 10 12141618 20

Энергия нейтронов, МэВ

Рис. 7. Энергетическая зависимость доз нейтронов, поглощенных в ЭЗ, Дт/Ф, пГр см2

С ростом энергии нейтронов, происходит сближение значений доз нейтронов в ткани и эмали (рис. 7), что вызвано увеличением относительного вклада ядер отдачи ЭЗ (Са, Р, О). Также наблюдается' уменьшение зависимости значений от геометрии облучения ввиду роста пробегов нейтронов.

3.02,5-

§ 2,0-1 О.

с 1.5-

«оЧ

АР РА

1ХАТ ЯЬАТ ЮТ 1ЭО

0.5

I

♦

» о

>

о о 6 й

О о 8 * 8 1 аЧ § ® Да О

■V'ТЧ'"V "V Ч ■ "1

1е-8 1е-6 1е-4 0,01

т-УЛ-

1 2 4 6 8 101214161820

Энергия нейтронов, МэВ

Рис. 8. Энергетическая зависимость доз вторичных фотонов, поглощенных в ЭЗ,ДТ/Ф, пГр см2.

Поглощенные дозы вторичных фотонов в эмали (рис. 8) различаются менее значительно, представляя собой зависимость с двумя или более широкими максимумами. Очевидно, что вторичное гамма-излучение играет основную роль для медленных и промежуточных нейтронов.

Расчеты показали, что вторичное гамма-излучение в основном представлено высокоэнергетическими квантами радиационного захвата на водороде. Поэтому при проведении расчетов можем пренебречь ОРЧ вторичных фотонов и принять ее равной единице.

Используя полученные данные, нами были рассчитаны зависимости коэффициентов перехода от дозы, измеренной методом ЭПР-спектроскопии по ЭЗ, к поглощенной дозе в органах тела человека для различных энергий нейтронов и геометрий облучения. В качестве примера приведены значения коэффициентов для щитовидной железы (рис. 9).

Значения коэффициентов зависят от геометрии облучения. Видно, что доза нейтронов типичного реакторного спектра со средней энергией в районе 1 МэВ, оцененная методом ЭПР-дозиметрии, может оказаться заниженной более чем на порядок.

20-

я 15

5-

а

л □

' 'v '1 "v "11 "1'

V/-

АР

РА

1ХАТ

ЯЬАТ

ШГ

1БО

А •

« л а

1е-6 1е-4 0,01 1 2 4 6 8 10 12 14161820 Энергия нейтронов, МэВ

Рис. 9. Энергетическая зависимость коэффициентов перехода от дозы, измеренной методом ЭПР-спектроскопии, к дозе в щитовидной железе для различных геометрий облучения.

Для верификации полученных в работе результатов экспериментальным путем, нами было проведено облучение фантомов головы человека, выполненных из тканеэквивалентных материалов с образцами порошка эмали или целыми зубами, располагавшимися в нижней половине фантома на

расстоянии примерно 1-2 см от внешнего края для учета экранировки губами и щекой.

Можем наблюдать хорошее соответствие расчетных данных экспериментальным (таблица 2). Существующие различия вызваны наличием первичной фотонной компоненты, расходимостью и размером поля облучения экспериментальных источников, поскольку расчетные значения получены для мононаправленных, строго параллельных и однородных полей нейтронов.

Таким образом, показано, что эмаль хорошо регистрирует тепловые и промежуточные нейтроны, в случае же быстрых нейтронов результат ЭПР-дозиметрии может оказаться значительно заниженным. Поэтому необходимо искать дополнительные пути оценки, например, по показаниям различных тканей, входящих в состав зуба. Дентин, содержащий гораздо больше водорода чем эмаль, более активно поглощает энергию быстрых нейтронов в энергетическом диапазоне нейтронов от 100 кэВ до нескольких МэВ.

Таблица 2. Сравнение расчетных и экспериментальных значений поглощенных доз. В качестве фантома использовались: г - цилиндр, я -кубическая коробка. Цифрами обозначены порядковые номера образцов.

Источник Геометрия Дэпр эксп, Гр Дэпр расчет, Гр

Реактор БР-10 Есред=0,85МэВ, Емакс=10,5 МэВ 1 т 1,26 1,11

2 г 1,22 1,00

Зг 0,58 0,73

4 г 0,56 0,54

5 г 0,62 0,51

6 г 1,01 1,16

Реактор Б^епе Есред=0,7 МэВ, Емакс=15,5 МэВ 1 г 2,7 2,80

2 г 0,67/ 0,6 0,67

Зг 1,79/1,79 1,88

5 г 1,49 1,56

6 г 2,23 2,35

Генератор нейтронов Н1ЬШАС Есред=0,32 МэВ, Емакс=0,7 МэВ 1 в 1,33/1,34 1,24

2в 0,92/0,73 0,77

Зв 0,33 / 0,233 0,29

Генератор нейтронов ИНГ-03 Есред=14 МэВ Ь 0,37 0,34

Глава 5 «Исследование возможности использования дентина зубов человека для целей ЭПР-дозиметрии нейтронов» посвящена исследованию возможности оценки поглощенных доз и энергии нейтронного излучения по

отношению показаний ЭПР-спектроскопии эмали и дентина. С этой целью нами было проведено экспериментальное облучение целых зубов на реакторе ЗНепе как в воздухе, так и в фантоме головы, с последующим механическим разделением дентина и эмали для проведения ЭПР измерений.

Калибровка образцов дентина показала, что амплитуда радиационно-индуцированного сигнала в нем приблизительно на порядок меньше, чем в эмали. Видно (таблица 3), что ОРЧ дентина к нейтронам, зависит от энергии, в среднем превышая чувствительность эмали в 2,5 раза.

Дозы ЭПР в дентине превышали аналогичные в эмали от 40 до 70 % для случая облучения в воздухе. Однако при фронтальном облучении в фантоме эта разница оказалась незначительной (менее 10 %), что обусловлено, прежде всего, увеличением вклада вторичного гамма-излучения в суммарную дозу, а также замедлением нейтронов в фантоме, т.е. сдвигом спектра в область более низких энергий. Усредненное значение отношений доз ЭПР дентина и эмали для образцов, располагавшихся по краям фантомов на глубине 2 см, составило 1,07.

Таблица 3. Основные результаты облучения целых зубов в воздухе и фантоме головы человека

Расст. от реактора, м р " ,МэВ Дэм, Гр Дден, Гр Дден/Дэм Кк С

к Со~60 г ден £ Со-60 г эм

Облучение в воздухе

0,9 0,72 2,72 4,53 1,67 5,8 1,0

1,0 0,71 2,68 4,40 1,64 7,1 2,4

1,5 0,61 1,60 2,19 1,37 6,7 3,2

2,0 0,57 1,03 1,44 1,40 7,4 3,0

Облучение в фантоме головы

0,9 0,21 5,83 6,50 1,11 0,8 -

1,0 0,24 5,02 5,38 1,07 0,4 -

1,5 0,22 2,70 2,81 1,04 1,8 1,1

2,0 0,23 1,68 1,68 1,00 1,9 2,0

Погрешность определения дозы, поглощенной в дентине, составляет 20 и более процентов. Полагая отношение ОРЧ дентина и эмали равной 2,5, можем прийти к выводу, что определение на практике присутствия нейтронной компоненты при равенстве доз нейтронов и фотонов возможно для нейтронов, средняя энергия которых превышает 10 МэВ, а для 1 МэВ-ных нейтронов доза нейтронов должна превышать фотонную как минимум на порядок.

выводы

1. Экспериментально определенные значения ОРЧ эмали зубов к нейтронам различных энергий (0,5, 0,7, 4,2, 5,2 и 14 МэВ) свидетельствуют о существенном увеличении ОРЧ эмали с ростом энергии нейтронов.

2. Обнаружено, что вклад вторичных протонов, образующихся в слое водородсодержащего материала при облучении гранул зубной эмали малого размера, может приводить к существенному завышению значений ОРЧ.

3. Расчетным путем получена энергетическая зависимость доз нейтронов и вторичных фотонов, поглощенных в образце зубной эмали в различных геометриях облучения. Показано, что поглощенная доза нейтронов в ЭЗ, существенно растет с увеличением их энергии, и существенно зависит от геометрии облучения. Впервые исследован вклад вторичных фотонов в регистрацию суммарной дозы нейтронов методом ЭПР-дозиметрии, являющийся особенно значимым для нейтронов с энергией до 10 МэВ.

4. Вычисленные коэффициенты перехода от дозы, зарегистрированной методом ЭПР-спектроскопии по ЭЗ человека, к поглощенным дозам в органах и тканях тела человека свидетельствуют, что результат прямой оценки дозы быстрых нейтронов при равномерном облучении может оказаться заниженным более чем на порядок.

5. Впервые проведен анализ дозиметрических свойств дентина зубов человека при смешанном гамма-нейтронном облучении. Установлено, что индивидуальные измерения образцов дентина являются информативными при наличии в поле излучения нейтронной компоненты высокой энергии.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Хайлов A.M., ТикуновД.Д., Скворцов В.Г., Иванников А.И., Потетня В.И., Капчигашев С.П. Применение эмали зубов человека в качестве дозиметра быстрых нейтронов. Сборник материалов Ш-го Международного симпозиума «Хроническое радиационное воздействие: Медико-биологические эффекты». - Челябинск - 2005 г.- С. 287.

2. Хайлов A.M. Определение относительной радиационной чувствительности эмали зубов человека к нейтронам. Сборник материалов 11-ого Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2005». - Москва - 2005 г.- С. 379-380.

3. TikunovD., TrompierF., IvannikovA., HerveM., KhailovA., SkvortsovV. Relative Sensitivity of Tooth Enamel to Fission Neutrons: Effect of Secondary Protons. Radiation Measurements. - 2005.- V. 39.- N. 5,- P. 509-514.

4. Хайлов A.M., ' Тикунов Д.Д., Иванников А.И., Скворцов В.Г. Возможности метода ЭПР-спектроскопии эмали зубов для реконструкции доз нейтронного излучения. Тезисы докладов Международной конференции «Радиоактивность после ядерных взрывов и аварий»,- Москва - 5-6 декабря 2005 г.- С. III-26.

5. Хайлов A.M. Исследование чувствительности эмали зубов человека к действию быстрых нейтронов радионуклидов. Материалы научно-практической конференции «Наследие Чернобыля. Выпуск 4. 20 лет спустя». - Калуга -20 апреля 2006 г. - С. 174-175.

6. Хайлов A.M. Оценка радиационной чувствительности эмали зубов in vivo к нейтронному излучению. Радиация и риск. - 2007.- Т. 16,- N 2-4. - С. 133-144.

7. KhailovA., IvannikovA., Tikunov D., SkvortsovV., Stepanenko V., Zhumadilov K., Tanaka K., Endo S., Hoshi M. Tooth enamel EPR dosimetry of neutrons: Enhancement of the apparent sensitivity at irradiation in the human head phantom. Radiation Measurements.- 2007,- V. 42,- N. 6-7.- P. 1171-1177.

Заказ 3006 Тираж 100 Объём 1,0 п.л. Формат 60х841/1б Печать офсетная

Отпечатано в МП «Обнинская типография» 249035 Калужская обл., г. Обнинск, ул. Комарова, 6

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Хайлов, Артем Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Потребность в ретроспективной дозиметрии.

1.2 Задачи и актуальные проблемы ретроспективной дозиметрии нейтронов методом ЭПР-спектроскопии.

1.3. Решение вопроса реконструкции доз нейтронов методом ЭПР-спектроскопии.

1.3.1. Методики, используемые для оценки интенсивности РИ сигнала и его калибровки.

1.3.2. Разработка метода определения поглощенных доз внешнего нейтронного излучения по результатам ЭПР-дозиметрии.

1.3.3. Относительная радиационная чувствительность эмали зубов человека к воздействию нейтронного излучения.

1.3.4. Роль вторичного гамма-илучения при регистрации методом ЭПР.

1.3.5. Сравнительный анализ характеристик зубных тканей как возможных объектов ЭПР дозиметрии нейтронов.

1.4. Применение математического моделирования внешнего облучения в целях ЭПР-дозиметрии нейтронов.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Применение метода ЭПР-дозиметрии по эмали зубов для оценки тканевых доз нейтронного излучения"

В последние десятилетия из-за радиационных инцидентов, связанных с неправильным использованием и утилизацией источников излучений большое количество людей подверглось значительному воздействию ионизирующего излучения различных видов. В ряде случаев это происходит случайно, когда индивидуальный дозиметрический контроль отсутствует. Следовательно, ретроспективное определение дозы, поглощенной в биологических тканях и органах тела человека имеет большое значение для анализа радиационного риска, является важной частью многих радиационно-эпидемиологических исследований и актуальной проблемой современной радиобиологии. В настоящее время, одним из наиболее часто выбираемых для ретроспективной оценки индивидуальных накопленных доз методом, является метод на основе спектроскопии электронного парамагнитного резонанса эмали зубов человека, удалённых по медицинским показаниям (ЭПР-дозиметрия по эмали зубов).

Несмотря на его многолетнее, успешное использование для дозиметрии гамма-излучения и широкое распространение, этот метод ретроспективной оценки накопленных доз является относительно новым, и требует дальнейшего усовершенствования. Одной из проблем, касающихся интерпретации получаемых данных, а также их точности и достоверности, которые предстоит решить для того, чтобы расширить область применения метода ЭПР-дозиметрии, является вопрос его использования для дозиметрии нейтронного излучения.

Решение этой задачи связано с трудностями, обусловленными, в первую очередь, различиями в механизмах взаимодействия излучений различных типов с мягкой биологической тканью (МБТ) и зубной эмалью (ЗЭ). Поэтому возникает вопрос - как интерпретировать результаты измерения методом ЭПР-дозиметрии при облучении нейтронами и при смешанном облучении нейтронами и другими видами излучения.

Исследования такого рода необходимы для определения индивидуальных доз облучения методом ЭПР-дозиметрии и оценки вероятности проявления радиобиологических эффектов у людей, пострадавших в результате аварий на радиационных объектах СНГ и других стран, а также лиц, пострадавших при ядерной бомбардировке японских городов Хиросима и Нагасаки.

Для того чтобы ЗЭ можно было использовать в качестве дозиметра, необходимо знать ее радиационную чувствительность (РЧ) ко всем составляющим радиационных полей. В случае наличия нейтронной компоненты в реальных радиационных полях, она, как правило, характеризуется широким спектром. Литературные данные свидетельствуют, что РЧ эмали к нейтронам значительно зависит от их энергии [20, 90, 97, 112]. Исследования по определению РЧ эмали к нейтронам, проведенные различными авторами, неоднородны как по условиям проведения экспериментов, так и по полученным результатам, которые подчас существенно различаются [20, 44, 45, 112]. Поэтому сложно определить, каким видом энергетической зависимости РЧ следует пользоваться на практике. Имеющиеся данные по РЧ эмали к нейтронам требуют уточнения для разработки метода перехода от интенсивности радиационно-индуцированного (РИ) сигнала ЭПР в эмали к дозе облучения, поглощенной эмалью зуба, а также к дозе, поглощенной МБТ.

В реальных условиях, при облучении in vivo, зубная эмаль будет подвергаться воздействию вторичного излучения, образованного при взаимодействии нейтронов с мягкой биологической тканыо. Наибольший интерес с точки зрения ЭПР-дозиметрии представляют внешние протоны отдачи и вторичное гамма-излучение. В частности, при облучении тепловыми нейтронами до 80-90% поглощенной телом человека дозы формируется посредством поглощения вторичного гамма излучения [114], основным источником которого является реакция радиационного захвата ядрами водорода. Протоны и ТЯО высоких энергий могут образовываться при рассеянии быстрых нейтронов на ядрах в прилегающем к ЭЗ слое ткани, а также в ядерных реакциях. Воздействие данных факторов на эмаль должно приводить к существенному увеличению выхода парамагнитных центров в эмали на единичный флюенс нейтронов и, таким образом, к росту радиационной чувствительности. В настоящее время, вклад как внешних протонов отдачи, так и вторичного гамма-излучения в дозу, регистрируемую методом ЭПР-спектроскопии по эмали зубов слабо изучены и требуют рассмотрения.

В ряде случаев облучение организма человека происходит излучением смешанного гамма-нейтронного состава, что требует специального анализа для определения получаемой дозы. В этой связи является актуальным вопрос о возможности разделения вкладов гамма и нейтронного компонентов в индивидуальную накопленную дозу.

При большинстве чрезвычайных ситуаций радиационного происхождения количество сведений очень ограничено. Зачастую не ясно, имело ли место хроническое или однократное, внешнее, внутреннее или комбинированное облучение, не известен состав радиоактивных выпадений. Следовательно, требуется исследование применимости метода ЭПР-дозиметрии в радиационной ситуации при отсутствии других дозиметрических и радиобиологических данных.

Исходя из всего вышесказанного, была сформулирована цель данной работы, которая заключается в разработке методики перехода от интенсивности РИ сигнала, регистрируемого методом ЭПР-спектроскопии ЭЗ, к дозам, поглощенным в ЭЗ и в МБТ в условиях воздействия нейтронного излучения на организм человека.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

• определение радиационной чувствительности ЭЗ к нейтронному излучению для нейтронов различных энергий, построение энергетической зависимости РЧ ЭЗ, на основе собственных и полученных другими исследовательскими группами данных;

• установление вкладов факторов, отвечающих за радиационный выход ПЦ в ЭЗ под действием нейтронного излучения разной энергии (внешние протоны отдачи, вторичное гамма излучение);

• определение энергетической зависимости коэффициентов перехода от дозы в ЭЗ к поглощенным дозам в органах и тканях тела человека в условиях, близких к реальным условиям облучения зуба;

• оценка возможности разделения вкладов нейтронного и гамма компонентов в суммарную поглощенную дозу, в условиях воздействия на организм человека смешанных гамма-нейтронных полей излучения, путем использования совместных ЭПР-измерений дентина и эмали.

Научная новизна.

В данной работе впервые представлены систематизированные результаты изучения различных факторов и физических процессов, влияющих на формирование РИ сигнала ЭПР в ЗЭ под воздействием радиоактивного излучения с присутствием нейтронного компонента.

Экспериментальным путем определена ОРЧ эмали к нейтронам различных энергий и проведен анализ аналогичных данных, полученных другими авторами.

Обнаружено, что результаты существенно зависят от энергии нейтронов, вида образцов эмали (целый зуб, порошок с различным размером частиц) и условий облучения (окружающего образцы материала). Проведенный теоретический анализ данных эффектов позволил объяснить некоторые различия в экспериментальных данных разных авторов и провести оценку энергетической зависимости ОРЧ эмали.

Впервые в данной работе расчетным путем (с использованием метода Монте-Карло и фантома MIRD (Médical Internal Radiation Dose Committee phantom), дополненного дентальной областью) был оценен вклад вторичного гамма-излучения в суммарную дозу нейтронов, что сделало возможным переход от значений индивидуальных накопленных доз, регистрируемых методом ЭПР-спектроскопии, к дозам поглощенным МБТ. Проведен расчет коэффициентов для коррекции получаемых методом ЭПР-дозиметрии значений доз для встречающихся в реальных условиях облучения спектров нейтронов.

Впервые исследована возможность совместного исследования дентина и ЗЭ для определения состава смешанного гамма-нейтронного излучения, воздействовавшего на организм человека. Впервые определены условия, определяющие границы применимости метода ЭПР при определении индивидуальной дозы смешанного гамма-нейтронного излучения.

Практическая значимость.

Актуальность исследований методом ЭПР-спектроскопии обусловлена необходимостью получения дозиметрических оценок, необходимых для анализа радиобиологических эффектов, индуцированных радиацией и уточнения коэффициентов риска отдаленных медицинских последствий, для того чтобы создать научную базу для принятия решений о мерах социальной и медицинской защиты людей.

В данной работе разработаны рекомендации по использованию ЭПР-дозиметрии для случая воздействия внешнего нейтронного излучения, включающие в себя интерпретацию полученных результатов и определение коэффициентов перехода от индивидуальных накопленных доз в эмали зуба к поглощенным дозам в различных органах и тканях.

Разработанные рекомендации будут использованы при проведении медико-дозиметрических исследований у населения, проживающего на радиоактивно загрязненных территориях, у участников ликвидации последствий аварии на ЧАЭС находившихся в зоне воздействия нейтронного излучения. Результаты работы будут также использованы при разработке Методических указаний по практическому применению метода ЭПР-дозиметрии по эмали зубов для ретроспективной оценки индивидуальных накопленных доз.

Положения, выносящиеся на защиту. Автор защищает:

• собственные экспериментальные данные по ОРЧ эмали к нейтронному излучению, а также построенную с их помощью ее энергетическую зависимость;

• существование эффекта образования ПЦ в эмали зубов под действием внешних протонов отдачи биологической ткани, а также способ учета его вклада в определяемое значение ОРЧ эмали;

• результаты расчета поглощенных доз нейтронов и вторичных фотонов в ЭЗ, коэффициентов перехода от значения дозы определяемого по ЭЗ, к поглощенным дозам в органах и теле человека в условиях воздействия на организм человека внешнего нейтронного излучения;

• возможность определения наличия высокоэнергетического нейтронного компонента по отношению доз ЭПР дентина и эмали 34.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка использованной литературы и приложения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 12 таблиц, список цитированной литературы содержит 114 источников, из них 22 на русском и 92 на английском языках.

Заключение Диссертация по теме "Радиобиология", Хайлов, Артем Михайлович

выводы

1. Экспериментально определенные значения ОРЧ эмали зубов к нейтронам различных энергий (0,5, 0,7, 4,2, 5,2 и 14 МэВ) свидетельствуют о существенном увеличении ОРЧ эмали с ростом энергии нейтронов.

2. Обнаружено, что вклад вторичных протонов, образующихся в слое водородсодержащего материала при облучении гранул зубной эмали малого размера, может приводить к существенному завышению значений ОРЧ.

3. Расчетным путем получена энергетическая зависимость доз нейтронов и вторичных фотонов, поглощенных в образце зубной эмали в различных геометриях облучения. Показано, что поглощенная доза нейтронов в ЭЗ, существенно растет с увеличением их энергии, и существенно зависит от геометрии облучения. Впервые исследован вклад вторичных фотонов в регистрацию суммарной дозы нейтронов методом ЭПР-дозиметрии, являющийся особенно значимым для нейтронов с энергией до 10 МэВ.

4. Вычисленные коэффициенты перехода от дозы, зарегистрированной методом ЭПР-спектроскопии по ЭЗ человека, к поглощенным дозам в органах и тканях тела человека свидетельствуют, что результат прямой оценки дозы быстрых нейтронов при равномерном облучении может оказаться заниженным более чем на порядок.

5. Впервые проведен анализ дозиметрических свойств дентина зубов человека при смешанном гамма-нейтронном облучении. Установлено, что индивидуальные измерения образцов дентина являются информативными при наличии в поле излучения нейтронной компоненты высокой энергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная работа была посвящена теме: «Применение метода ЭПР-дозиметрии по эмали зубов для оценки тканевых доз нейтронного излучения». Для решения поставленных задач в работе были экспериментально изучены и систематизированы различные процессы влияющие на формирование РИ сигнала в зубной эмали под действием чистых, не сопровождающихся первичным гамма излучением, нейтронов.

Однако, для корректного решения задачи реконструкции дозы излучения в условиях воздействия на эмаль смешанного гамма-нейтронного излучения следует учитывать, что рассчитываемая по спектрам ЭПР эмали зубов индивидуальная суммарная поглощенная доза является суммой нескольких составляющих:

• доза внешнего излучения (гамма, бета, нейтронного и др.), полученная за период участия в ликвидации последствий катастрофы или проживания на загрязненной территории.

• доза, формирующаяся за счет естественного фонового гамма-излучения, мощностью около 12 мкРн/час (1,0 мГр год) [112]. Рассчитывается с учетом возраста индивидуума, ее величина в дентине остается малоизученной и, зачастую принимается равной значению, рассчитанному для ЭЗ.

• доза внутреннего излучения от инкорпорированных радионуклидов (рсновные-Sr-90 и Y-90). Задача выделения и определения внутренней компоненты дозы является довольно сложной, требующей учета времени накопления, распределения и метаболизма радионуклидов. В некоторых случаях доза внутреннего облучения за счет инкорпорированного в эмали изотопа стронция превышает дозу от внешних источников.

Все перечисленные составляющие необходимо принимать во внимание даже при определении дозы в полях со значительным нейтронным компонентом. Только после вычитания естественной фоновой дозы, экспериментальные оценки и погрешности суммарной внешней и внутренней дозы могут считаться математическим ожиданием с соответствующим доверительным интервалом. С учетом сказанного, формула для определения индивидуальной накопленной дозы облучения по интенсивности РИ сигнала ЭПР эмали (Дэпр) будет выглядеть следующим образом: л

3.1) где: Мэпр - амплитуда РИ сигнала типа излучения /' (прямо пропорциональная выходу ГОД в ЗЭ);

-60 " чувствительность ЗЭ к фотонам калибровочного гамма-излучения (Со-60); <Щфо№ ~ мощность дозы фонового излучения (как правило, составляет 1 мГр/год); Т - возраст зуба, определяемый разностью между возрастом человека и средним возрастом, при котором происходит формирование данного зуба; Мсоб - усредненное значение амплитуды собственного сигнала референтного спектра эмали. Эта составляющая сигнала обусловлена формой линии референтного спектра эмали, используемого для моделирования НФ сигнала при математической обработке спектров ЭПР эмали. Она не зависит от дозовой нагрузки, полученной в результате радиационного воздействия, представляя собой фактически нижний порог чувствительности метода ЭПР дозиметрии. Величина этой поправки обычно составляет десятки мГр, и зависит от чистоты приготовленных образцов ЭЗ, стабильности работы спектрометра и учета вкладов различных паразитных линий при математической обработке спектров.

Из рассмотрения выражения (з.1) следует, что наличия одних результатов определения доз методом ЭПР спектроскопии недостаточно для их корректной интерпретации. Даже приближенный учет компоненты внутреннего облучения, требует дополнительного измерения концентрации 908г в зубных тканях и математического моделирования процессов дозообразования. Поскольку, решение данной задачи выходит за рамки данной работы, рассмотрим случай чистого внешнего облучения человека в поле гамма-нейтронного излучения, для простоты опустив обычно известный компонент сигнала Мсоб.

В таком случае, вклад в поглощенную дозу, обусловленный радиацией техногенного происхождения, Дра(>, можно определить путем вычитания накопленной дозы фонового излучения за весь период существования зуба: где: Дп, Ду2, Дг1- поглощенные в эмали дозы нейтронного, вторичного гамма и первичного фотонного излучения, соответственно; д;:+(!--• дг+дг2), з.2) к™, кэп"~ РЧ эмали к первичному фотонному излучению и нейтронам (как показано в Главе 4, величина /кГо60 в подавляющем большинстве случаев не превышает 1,02 и может быть принята равной 1).

В данной работе были получены коэффициенты перехода, связывающие суммарную поглощенную дозу нейтронов в органе с Драд. Аналогичные коэффициенты для первичного фотонного излучения были представлены в работах [36], [112]. Подставляя их значения в (з.2), получим: мэш dt с, с, К ) здесь: Д'п, Д'у1, Д'у1 - поглощенные в органе i дозы нейтронного, вторичного гамма и первичного фотонного излучения, соответственно.

Очевидно, что в реальных условиях, в результате многократного рассеяния, облучение человека происходит широким спектром нейтронов. Поэтому, в данной работе получены коэффициенты перехода для различных геометрий облучения для энергетических спектров реальных источников нейтронов, приведенных в литературе.

Наибольшего внимания заслуживает тот факт, что значения РЧ и коэффициентов перехода для реальных радиационных полей сильно варьируются и зависят от типа и энергии излучения, поэтому отсутствие информации такого рода об источнике ионизирующего излучения может сделать точное определение дозы с помощью метода ЭПР спектроскопии маловероятным. Таким образом, погрешность и пределы применимости метода ЭПР-дозиметрии по эмали зубов в случае воздействия внешнего нейтронного излучения определяются энергетической зависимостью РЧ эмали, вариацией значений индивидуальной РЧ эмали, корректностью подготовки образцов и математической обработки спектров ЭПР эмали, дополнительными сведениями об условиях облучения (время, геометрия воздействия, данные о наличии инкорпорированных радионуклидов и др.).

Полученные в настоящей работе результаты, указывают направления будущих исследований для повышения качества и эффективности ЭПР дозиметрии: • проведение как можно большего числа экспериментов по облучению эмали 34 in vitro в будущем будет призвано выявить в области высоких энергий и уточнить в области рассмотренных в работе энергий нейтронов вид энергетической зависимости ОРЧ;

• развитие спектрометрии ЭПР в Ь-диапазоне частот позволит определять дозу одновременно в эмали всех зубов человека без их экстракции;

• применение для моделирования как можно более детализированных антропоморфных математических фантомов. В перспективе, с учетом бурного развития вычислительной техники, стоит вопрос об индивидуализации описания фантомов путем сканирования, с последующей автоматической обработкой;

• совершенствование технических методов определения дозы в дентине 34 методом спектроскопии ЭПР, что особенно важно в случае наличия инкорпорированных радионуклидов.

Следует также отметить, что по мере совершенствования и развития метода ЭПР-дозиметрии (аппаратурного, программного и методического) приведенные в работе значения физических величин и поправочных коэффициентов будут уточняться и дополняться.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Хайлов, Артем Михайлович, Обнинск

1. Aldrich J.E., Pass В. Determining radiation exposure from nuclear accident and atomic tests using dental enamel// Health Phys. 1988. Vol. 54. No. 4. - P. 469-471.

2. Bagshaw M., Irvine D., Davies D.M. Exposure to cosmic radiation of British Airways Flying crew on ultra long haul routes// Occup. Environ. Med. 1996. Vol. 53 -P. 495^498.

3. Bailiff I.K. Retrospective dosimetry with ceramics // Radiat. Meas. 1997. Vol. 27 -P. 923-941.

4. Bartlett D.T., Hager L.G., Tanner R.J., Steele J.D. Measurements of the high energy neutron component of cosmic radiation fields in aircraft using etched track dosemeters// Radiat. Meas. -2001. Vol.33. P. 243-253.

5. Bartlett D.T., Steele J.D., Stubbereld D.R. Development of a single element neutron personal dosemeter for thermal, epithermal and fast neutrons// Nucl. Tracks 1986. Vol. 21. -P. 645-648.

6. Briemeister J.F. MCNP a general Monte-Carlo n-particle transport code. Version 4B. - 1997. LA-12625-M. - P. 750.

7. Butter-Jensen L., McKeever S.W.S. Optically stimulated luminescence dosimetry using natural and synthetic materials// Radiat. Prot. Dosim. 1996. Vol. 65 - P. 273-280.

8. Callens F., Vanhaelewyn G., Matthys P., Boesman E. EPR of carbonated derived radicals: Application in Dosimetry, Dating and Detection of irradiated Food// Appl. Magn. Reson. 1998. Vol. 14. - P. 235-254.

9. Caswell R.S., Coyne J.J. Interaction of neutrons and secondary charged particles with tissue: secondary particle spectra// Radiat. Res. 1972. Vol. 52. - P. 448-470.

10. Caswell R.S., Coyne J.J., Randolph M.L. Kerma factors of elements and compounds for neutron energies below 30 MeV// Appl. Radiat. Isot. 1981. Vol. 33. - P. 1227-1262.

11. Cheyne V.D. Average weights of the permanent teeth// Dental Res. 1943. Vol. 22. -P.181-184.

12. Chumak V., Pavlenko Ju., Sholom S. An Approach to the Assessment of Overall Uncertainty of Determination of Dose using an ESR Technique// Appl. Radiat. Isot. 1996. Vol. 47, No. 11/12.-P. 1287-1291.

13. Cristy M., Eckerman F. Health and Safety Research Division. Spesific absorbed fraction of energy at various ages from internal photon sources. Appendix A. Description of the mathematical phantom, 1987.-P. 142.

14. Derise N.L., Ritchey S.J. Mineral composition of normal human enamel and dentin and relation of composition to dental caries// Dental Res. 1974. Vol. 53. No. 4. - P. 853858.

15. Desrosiers M.F., Simic M.G., Eichmiller F.C. et al. Mechanically induced generation of radicals in tooth enamel// Int. J. Rad. Appl. Instrum. 1989. Vol.4. - P. 1195-1199.

16. Edwards A.A. The use of chromosomal aberration in human lymphocytes for biological dosimetry// Radiat. Res. 1997. Vol. 148. - P. 39-44.

17. Egersdurfer S., Wieser A., Muller A. Tooth enamel as a detector material for retrospective EPR dosimetry// Appl. Radiat. Isot. 1996. Vol. 47. - P. 1299-1304.

18. Endo S., Hoshi M., Suga S. et al. Determination of the Relative Neutron Sensitivity of a C-C02 ionisation Chamber// Phys. Med. Biol. 1996. Vol. 41. - P. 1037-1043.

19. Endo S., Hoshi M., Tauchi H. et al. Neutron Generator at Hiroshima University for Use in Radiobiology Study// J.Radiat. Res. 1995. Vol. 36. - P. 91-102.

20. Fattibene P., Aragtio D., Onori S. Effectiveness of chemical etching for background electron paramagnetic resonance signal reduction in tooth enamel// Health Phys. 1998. Vol. 75.-P. 500-505.

21. Fattibene P., Aragno D., Onori S., Pressello M.C. Thermal Induced EPR signals in Tooth enamel// Radiat.Meas. 2000. Vol. 32. - P. 793-798.

22. Fattibene P., Anglone M., Pillon M., De Coste V. Tooth enamel dosimetric response to 2.8 MeV neutrons// Nucl. Instrum. Meth. 2003. Vol. 201. - P. 480-490.

23. Gaillard-Lecanu E., Chau Q., Trompier F. et al. Franco-Russian comparison of mixed neutron and gamma radiation field dosimeters at the Silène reactor Radiat. Meas. 2001. Vol. 33. No. 6. - P. 859-866.

24. Golikov V.Y and Nikitin V.V. Estimation of the mean organ doses and the effective dose equivalent from Rando phantom measurements// Health Phys. 1989. Vol. 56 -P. 111-115.

25. Hubbell J.H. Photon Mass Attenuation and Energy-Absorption Coefficients from 1 keV to 20 MeV//Appl.Radiat. 1982. Vol.33 -P. 1269-1290.

26. Huda W., Sandison G.A. Estimation of mean organ doses in diagnostic radiology from Rando phantom measurements// Health Phys. 1984. Vol. 47. - P. 463-467.

27. ICRP Publication 74. Conversion coefficients for use in radiological protection against external irradiation. Ann. ICRP 26. Vol. 3-4. Oxford: Elsevier Science, 1997.

28. Ignatiev E.A., Lyubashevskii N.M., Shishkina E.A., Romanyukha A.A. EPR dose reconstruction for bone-seeking 90Sr// Appl. Radiat. Isot. 1999. Vol. 51. - P. 151-159.

29. Ikeya M., Miyajima J., Okajima S. ESR dosimetry for atomic bomb survivors using tooth enamel// Jpn. J. Appl. Phys. 1984. Vol. 23. - P. 697-699.

30. Ikeya M., Tani A., Yamanaka C. Electron spin resonance isochrone dating of fracture age: grain-size dependence of dose rates for fault gouge// Jpn. J. Appl. Phys. 1995. Vol. 34. No. 3a.-P. 334-337.

31. Inaba J. Radiological and environmental aspects of the criticality accident in Tokai-Mura // Radiat. Prot. Dosim. 2000. Vol. 92. No. 1-3. - P. 239-246.

32. Ishii H., Ikeya M., Okano S. ESR dosimetry of teeth of residents close to the Chernobyl reactor accident // J. Nucl. Science and Tech. 1990 b. Vol. 27. - P. 1153-1155.

33. Ivannikov A.I., Skvortsov V.G., Stepanenko V.F et al. Tooth enamel EPR dosimetry: Sources of errors and their correction// Appl. Radiat. Isot. 2000. Vol. 52. - P. 1291-1296.

34. Ivannikov A.I., Skvortzov V.G., Stepanenko V.F. et al. Wide-scale EPR retrospective dosimetry: results and problems// Radiat. Prot. Dosim. 1997. Vol. 71. - P. 175-180.

35. Ivannikov A.I., Tikunov D.D., Borysheva N.B. et al. Calibration of EPR signal dose response of tooth enamel to photons: experiment and Monte-Carlo simulation// Radiat. Prot. Dosim. 2004. Vol. 108. No 4. - P. 303-315.

36. Ivannikov A.I., Tikunov D.D., Skvortsov V.G. et al. Elimination of the background signal in tooth enamel samples for EPR-dosimetry by means of physical-chemical treatment// Appl. Radiat Isot. 2001. Vol. 55. - P. 701-705.

37. Ivannikov A.I., Trompier F., Gaillard-Lecanu E., et al. Optimisation of Recording Conditions for the EPR Signal Used in Dental Enamel Dosimetry // Radiat. Prot. Dosim. -2002. Vol. 101. No 1-4.-P. 531-538.

38. Ivannikov, A.I., Skvortsov, V.G., Stepanenko et al. EPR Tooth Enamel Dosimetry: Optimisation of the Automated Spectra Deconvolution Routine// Health Phys. 2001. Vol. 81.-P. 124-137.

39. Iwasaki M., Miyazawa C., Uesawa T. Differences in the radiation sensitivity of human tooth enamel in an individual and among the individuals in dental ESR dosimetry// Radioisotopes. 1995. Vol. 44. - P. 785-788.

40. Iwasaki M., Mijazawa M., Kubota A. et. al. Energy dependence of the C03"3 signal intensity in ESR dosimetry of human tooth enamel// Radioisotopes. 1991. Vol. 40 No. 10. -P. 421-424.

41. Iwasaki M., Miyazawa C., Uesawa T., Niwa K. Exposure rate dependence of the C03J" signal intensity in ESR dosimetry of human tooth enamel// Radioisotopes. 1992. Vol. 41. No. 12.-P. 642-644.

42. Iwasaku M., Miyazawa Ch., Uesawa T., Niwa K. Effect of sample grain size on the CO3 " signal intensity in ESR dosimetry of human tooth enamel// Radioisotopes. 1993. Vol. 42. No. 8.-P. 470-473.

43. Khan R.F.H., Aslam, Rink W.J., Boreham D.R. Electron paramagnetic resonance dose response studies for neutron irradiated human teeth// Nucl. Inst, and Meth. 2004. Vol. 225.-P. 528-534.

44. Khan R.F.H., Rink W.J., Boreham D.R. Dosimetric response evaluation of tooth enamel for accelerator-based neutron irradiation// Radiat. Meas. 2003. Vol. 37. - P. 355363.

45. Lee J.S., Dong S.L., Wu T.H. Estimation of organ dose equivalents from residents of radiation-contaminated buildings with Rando phantom measurements // Appl. Radiat. Isot. -1999. Vol. 50.-P. 867-873.

46. Likhtarev I., Sobolev B. Results of large scale thyroid dose reconstraction in Ukraine. The Radiological Consequences of the Chernobyl Accident. Report EUR. Brussels ¡European Commission, 1996.-P. 1021-1034.

47. Lyagushina V.I., Dudkin V.E., Potapovb Yu.V., Sevastianov V.D. Russian measurements of neutron energy spectra on the Mir orbital station// Radiat. Meas. 2001. Vol. 33.-P. 313-319.

48. Medioni R., Delafleld H.J. Criticality accident dosimetry: an international intercomparison at the SILENE reactor// Radiat. Prot. Dosim. 1997. Vol. 70. - P. 445-454.

49. NCRP REPORT № 108. Conceptual basis for calculations of absorbed dose distributions Bethesda, 1991. - P. 234.

50. NCRP REPORT № 52. Cesium-137 from the environment to man: metabolism and dose. Bethesda, 1977. - P. 58.

51. Olivcira L.M. de, Jesus E.F. de, Rossi A.M. et al. Energy dependence of EPR signal in synthetic and biological hydroxyapatite irradiated with photons/ Radiat. Prot. Dosim. -1999. Vol. 84. No. 1-4.-P. 511-514.

52. Pass B., Aldrich J. Dental enamel as in vivo dosimeter// Med. Phys. 1985. Vol. 12. No.3. - P. 305-307.

53. Pass B., Aldrich J.E., Scallion P.L. An analysis of paramagnetic centers in irradiated dentin using electron spin resonance// Calcif. Tissue Int. 1990. No. 46. - P. 166-168.

54. Polyakov V., Haskell E., Kenner G. et al. Effect of Mechanically Induced Background Signal on EPR Dosimetry of Tooth Enamel// Radiat. Meas. 1995. Vol.24. No.3.-P. 249-254.

55. Prouza Z., Obraz O., Sopko B. et al. Dosimetric parameters of a new Czechoslovak neutron Si diode// Radiat. Prot. Dosim. 1989. No. 28. - P. 277-281.

56. Regulla D.F. ESR spectrometry a future-oriented tool for dosimetry and dating// Appl. Radiat. Isot. - 2005. Vol.62. No. 2. - P. 117-127.

57. Regulla D.F., Deffner U. Dose estimation by ESR spectroscopy at a fatal radiation accident// Appl. Radiat. Isot. 1989. Vol. 40. No. 10-12. - P. 1039-1043.

58. Romanyukha A.A., Degteva M.O., Kozheurov V.P. et al. Pilot study of the Urals population by tooth electron paramagnetic resonance dosimetry// Radiat. Env. Biophys. -1996. Vol. 35-P. 305-310.

59. Romanyukha A.A., Ignatiev E.A., Vasilenko E. K. et al. EPR dose reconstruction for Russian nuclear workers// Health Phys. 2000. Vol. 78. No. 1. - P. 15-20.

60. Romanyukha A.A., Ignatieva M.O., Vasilenko E.K. et al. Radiation doses from Ural Region//Nature. 1996. Vol. 381. - P. 199-200.

61. Romanyukha A.A., Regulla D., Vasilenko E., Wieser A. South Ural nuclear workers: comparison of individual doses from retrospective EPR dosimetry and operational personal monitoring// Appl. Radiat. Isot. 1994. Vol. 45. No. 12. - P. 1195-1199.

62. Romanyukha A.A., Wieser A., Regulla D. EPR Dosimetry with Different Biological and Synthetic Carbonated Materials //Radiat. Prot. Dosim. 1996. Vol. 65. No. 1-4. -P. 389-392.

63. Schauer D.A., Desrosier M.F., Kuppusamy P., Zweier J.L. Radiation dosimetry of accidental overexposure using EPR spectroscopy and imaging of human bone// Appl. Radiat. Isot. 1996. Vol. 47. - P. 1345-1350.

64. Schauer D.A., Desrosiers M.F., Le F.G. et al. EPR dosimetry of cortical bone and tooth enamel irradiated with X and gamma rays: study of energy dependence// Radiat. Res. 1994. Vol. 138.-P. 1-8.

65. Schauer D.A., Seltzer S.M., Link J.M. Exposure-to-dose conversion for human adult cortical bone// J. Apl. Radiat. Isot. 1993. Vol. 44. No. 3. - P. 485-489.

66. Sevan'kaev A.V., Lloyd D.C., Edwards A.A. et al. High exposure to radiation received by wokers inside the Chernobyl Sarcophagus// Radiat. Prot. Dosim. 1996. Vol. 59.-P. 85-91.

67. Shishkina E.A., Lyubashevskii N.M., Tolstykh E.I. et al. A mathematical model for calculation of 90Sr absorbed dose in dental tissues: elaboration and comparison to EPR measurements// Appl. Radiat. Isot. 2001. Vol. 55. - P. 363-374.

68. Skvortzov V., Ivannikov A., Wieser A. et al. Proceedings of the first international conference, Minsk, Belarus, 18 to 22 March, 1996. P. 949-955.

69. Skvortzov V.G., Ivannikov A.I., Stepanenko V.F. et al. Book of Abstracts, 4-th International Symposium on ESR Dosimetry and Applications. Munich, May 15-19, 1995, P.214.

70. Snyder W.S., Neufeld J. Calculated depth dose curves in tissue for broad beams of fast neutrons// J. Brit. Radiol. 1955. Vol. 28. No. 331. - P. 342-350.

71. Somerwil A., van Kleffens H.J. Experience with the Alderson Rando phantom // Br. J. Radiol. 1977. Vol. 50. - P. 295-296.

72. Spurny F., Medioni R., Portal G. Energy transfer to some TLD materials by neutrons; comparison of theoretical and experimental data// Nucl. Inst. Meth. 1976. Vol. 138. No 1. -P. 165-171.

73. Stepanenko V.F., Skvortsov V.G., Ivannikov A.I. et al. ESR and TL dosimetry system: Comparative measurements for human phantom// Appl. Radiat. Isot. 1996. Vol.47. No. 11/12- P.1359-1363.

74. Takahashi F., Yamaguchi Y., Iwasaki M. et al. Relation between tooth enamel dose and organ doses for electron spin resonance dosimetry against external photon exposure// Radiat. Prot. Dosim. 2001. Vol. 95. No. 2. - P. 101-108.

75. The radiological accident in Istanbul.- Vienna: IAEA, 2000. P.74-75.

76. The radiological accident in Lilo Vienna: IAEA, 2000. - P.97-98.

77. The radiological accident in Yanango- Vienna: IAEA, 2000. P.39-40

78. Training course on the use of MCNP in radiation protection and dosimetry Bologna -Italy, May 13- 16, 1996.

79. Trompier F., Battaglini P., Tikunov D., Clairand I. Dosimetric response of human bone tissue to photons and fission neutrons // Radiat. Meas. 2008. Vol. 43 - P. 837-840.

80. Ulanovsky A., Wieser A., ZankI M., Jacob P. Photon dose conversion coefficients for human teeth in standart irradiation geometries// Health Phys. 2005. - Vol. 89. No. 6. -P. 645-659.

81. United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation Sources, Effects and Risks of Ionizing Radiation (UNSCEAR). Report to the UN General Assembly with Scientific Annexes. New York, 1993.

82. Wieser A. and 32 co-authors. The third international intercomparison on EPR tooth dosimetry// Appl. Radiat. 2006. Vol. 62. - P. 163-171.

83. Wieser A. and 33 co-authors. The second international intercomparison on EPR tooth dosimetry// Radiat. Meas. 2000. Vol. 32. - P. 549-557.

84. Wieser A., Argano D. Monte-Carlo calculation and experimental verification of the photon energy response of tooth enamel in a head-sized plexiglas phantom// Radiat. Prot. Dosim. 2002. - Vol. 10. No. 1 -4. - P. 549-552.

85. Wieser A., Mehta K., Amira S. et al. The 2-nd International Intercomparison on EPR tooth dosimetry// Radiat Meas. 2000. - Vol. 32. - P.549-557.

86. Wieser A., Romanyukha A.A., Degteva M.O. et al. Tooth enamel as a natural beta dosimeter for bone seeking radionuclides// Radiat. Prot. Dosim. 1996. Vol. 65. - P. 413416.

87. Williams G., Zankl M., Abmayr W. et al. The calculation of dose from external photon exposures using reference and realistic human phantoms and Monte Carlo methods// Phys. Med. Biol. 1986. Vol. 31. No 4. - P. 449-452.

88. Zdravkova M., Denis J.M., Gallez В., Debuyst R. Sensitivity of whole human teeth to fast neutrons and gamma-rays estimated by L-band EPR spectroscopy// Radiat. Meas. -2002. Vol. 35(6). - P. 603-608.

89. Zdravkova M., Wieser A., El-Faramawy N. et al. An in vitro L-band EPR study of highly irradiated whole teeth// Radiat. Protect. Dosim. 2002. - Vol. 101. - P. 497-502.

90. Ziegler J.F. The Stopping and Range of Ions in Matter Online. Available: http://srim.org/SRIM/SRIMLEGL.htm SRIM.EXE, [2005, February 12].

91. Алексеев А.Г., Карпов H.A. Возможности ТЛД на основе кристаллофосфора LiF-Mg, Си, Р для дозиметрии нейтронов. В сб.: 16 сов. по ускорит, заряж. частиц. Протвино, 1998.

92. Бажанов Н.Н. Стоматология. М.: Медицина, 1984. - 400 с.

93. Боровский Е.В. Терапевтическая стоматология. М.: МИА, 2009. - 840 с.

94. Борышева Н.Б. Расчётное обоснование метода оценки тканевых доз фотонного облучения по результатам ЭПР-дозиметрии эмали зубов человека. Дисс. . канд. физ.-мат. наук. Обнинск, 2004. 107 с.

95. Бочвар И.А., Клещенко Е.Д., Кушнерева К.К., Левочкин Ф.К. Чувствительность эмали зубов человека к а-излучению и нейтронам // Атомная энергия. 1997. №5. -С. 380-383.

96. Бусленко Н.П., Голенко Д.И., Соболь И.М. и др. Метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). М.: Гос. изд. физ.-мат. литер., 1962. - 125 с.

97. Вертц Дж., Болтон Дж. Теория и практические приложения метода ЭПР. -М.: Мир, 1975.-243 с.

98. Цветкова В.И., Клещенко Е.Д., Кушнерева К.К. Зависимость дозовой чувствительности эмали зубов человека от энергии фотонов гамма-излучения радионуклидного загрязнения местности// Атомная энергия. 1995. - №79(1). С. 11-15.

99. ГОСТ РФ 22.3.04.-96 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Контроль населения дозиметрический. Метод определения поглощенных доз внешнего гамма-облучения по спектрам электронного парамагнитного резонанса зубной эмали». -М.: Госстандарт России, 1996.

100. Дуба В.В., Капчигашев С.П. Поглощение энергии нейтронов в поверхностных слоях тканьэквивалентного вещества // Радиобиология. 1979. - № 19(6). - С. 893-897

101. Индивидуальный дозиметрический контроль внешнего облучения персонала АЭС: Методические указания. М.:Концерн Росэнергоатом, 2000. - 132 с.

102. Капчигашев С.П., Тикунов Д.Д., Иванников А.И. и др. Радиационный выход парамагнитных центров в эмали зубов при под действием быстрых нейтронов // Ядерная энергетика. 1998. - №6- С.15-23.

103. Керим-Маркус И. Б., Клещенко Е. Д.//Тезисы докладов Третьего съезда по радиационным исследованиям. Москва, 14-17 октября 1997 г. Т. 2. - С. 41-42.

104. Кураченко Ю.А. Методы расчета характеристик полей излучения Обнинск, 1994.-65 с.

105. Мороз И.А., Сереженков В.А., Клевезаль Г.А. и др. Новые возможности в оценке поглощения радиационной дозы методом электронного парамагнитного резонанса // Биофизика. 1994. - №. 39(6). - С. 1075-1082.

106. Нормы радиационной безопасности НРБ-99: Санитарные правила. М.:Инф.-изд. центр Мин. России, 1999.

107. Пул Ч. Техника ЭПР-спектроскопии. М.:Мир, 1970. - 557 с.

108. Таблицы физических величин. Справочник под ред. академика И.К.Кикоина. -М.:Атомиздат, 1976.- 1009 с.

109. Тикунов Д.Д. Развитие метода ретроспективной индивидуальной дозиметрии на основе ЭПР-спектроскопии эмали зубов: Дисс. . канд. физ.-мат. наук. Обнинск, 1999.-112 с.

110. Человек. Медико-биологические данные. Доклад рабочей группы комитета МКРЗ по условному человеку М.:Медицина, 1977. -245 с.

111. Шальнов М.И. Тканевая доза нейтронов. М.:Атомиздат, 1960. - 218 с.