В статье рассматриваются области применения дозиметров в различных диапазонах электромагнитного излучения, а также общие процедуры дозиметрии.
Ключевые слова: дозиметр, диапазон доз, чувствительность дозиметра, интенсивность облучения.
Электромагнитное излучение как от природных, так и от созданных человеком источников является жизненно важным компонентом экосистемы Земли, оказывающим глубокое влияние на деятельность людей и других организмов [2]. Каждый диапазон электромагнитного излучения характеризуется различными свойствами и областями применения. Примечательно, что электромагнитное излучение в рентгеновском, ультрафиолетовом и видимом диапазонах широко используется в биологии и медицине благодаря своим уникальным биологическим взаимодействиям или высокой проникающей способности.
Для получения максимальной пользы и снижения рисков, связанных с электромагнитным излучением, необходимо точное измерение доз облучения в различных спектральных диапазонах. Эта необходимость привела к появлению области дозиметрии, которая обеспечивает безопасное и эффективное использование электромагнитного излучения в различных областях применения.
Рентгеновские лучи, открытые Вильгельмом Рентгеном в 1895 году, произвели революцию в медицинской визуализации благодаря появлению первой рентгенограммы. С тех пор их применение вышло за рамки медицины и распространилось на такие области, как промышленность, сельское хозяйство и научные исследования, включая рентгеновскую томографию, облучение пищевых продуктов и кристаллографию [3]. Хотя рентгеновские лучи обладают значительными преимуществами, чрезмерное облучение может иметь серьёзные последствия.
Для решения проблем лучевой терапии используются дозиметры, которые проверяют, что дозы доставляются в соответствии с планом, особенно при таких передовых методах лечения, как лучевая терапия с модуляцией интенсивности (IMRT) и дуговая терапия с объемной модуляцией (VMAT). Эти методы требуют точного введения дозы из-за возможности значительных отклонений, влияющих на опухоль или здоровые ткани. Для чувствительных органов, таких как глаза и головной мозг, 3D-реконструкция дозы необходима для проверки перед началом лечения, чтобы обеспечить безопасность и эффективность терапии.
Дозиметры имеют решающее значение для мониторинга длительного облучения, особенно для работников на радиационно-опасных производствах, а также для оценки доз после радиологических инцидентов, о чём свидетельствует постоянный мониторинг после аварии на АЭС «Фукусима» [1].
Ультрафиолетовое излучение имеет длину волны 100–400 нм и делится на длинноволновой (315–400 нм), средневолновой (280–315 нм), коротковолновой (200–280 нм) и вакуумный УФ (100–200 нм) [10]. Его применение в промышленном производстве, клинической медицине и охране окружающей среды позволяет использовать его уникальные биологические эффекты. УФ-А поддерживает фотоотверждение, 3D-печать и лечение таких заболеваний, как акне [5]. УФ-Б способствует выработке витамина D, укрепляя здоровье костей и иммунитет. Ультрафиолетовое излучение широко используется для бактерицидных целей, очистки воды и хирургической стерилизации путем разрушения ДНК и РНК. Кроме того, ультрафиолетовое излучение помогает бороться с аутоиммунными заболеваниями, наркоманией и ожирением, регулируя нейроэндокринные функции.
Несмотря на то, что при надлежащих дозах ультрафиолетовое излучение полезно, его чрезмерное воздействие может привести к краткосрочным и долгосрочным повреждениям, включая рак кожи, катаракту, нарушения ритма и хронические проблемы со здоровьем. Для снижения этих рисков дозиметры УФ-излучения имеют решающее значение для мониторинга воздействия. Индивидуальная диагностика солнечного ультрафиолета особенно сложна, поскольку воздействие ультрафиолета зависит не только от суммарной дозы, но и от длины волны, типа кожи и индивидуальной переносимости. Например, пороговая доза, вызывающая эритему, значительно варьируется в зависимости от типа кожи. Эти трудности создают определённые преграды при создании точных дозиметров, которые предназначены для персонализированного контроля ультрафиолетового излучения. Такой мониторинг необходим для обеспечения безопасного воздействия и эффективной терапии.
Спектр видимого света, который охватывает диапазон от 400 до 780 нм, играет важную роль не только в освещении, но и в таких сферах, как связь, дисплеи, сельское хозяйство, фотодинамическая терапия и фотокатализ. Однако его влияние может быть как положительным, так и отрицательным. Например, синий и красный свет способствуют росту растений в точном земледелии, но при слишком большом количестве могут оказать угнетающее воздействие. В музеях избыток видимого света может повредить произведения искусства, особенно картины с яркими цветами. Негативно сказывается и на качестве светочувствительных продуктов, таких как лекарства и пиво. Фотодинамическая терапия, используемая для лечения желтухи, требует точной дозировки света.
Кроме того, чрезмерное воздействие искусственного света в ночное время может нарушить биоритмы и увеличить риск развития рака, что подчёркивает важность использования дозиметров видимого света для мониторинга и контроля такого воздействия. В различных областях необходимы индивидуальные дозиметры из-за разных диапазонов доз: например, для терапии требуется 10–100 Дж/см², в то время как для защиты художественных работ — около 1000 Дж/см². Долгосрочные пассивные дозиметры часто предпочтительнее для мониторинга кумулятивного воздействия в течение длительных периодов, что обеспечивает безопасность и эффективность в различных приложениях.
Чтобы создать точный и надёжный дозиметр, необходимо учитывать несколько ключевых критериев. Среди них — соответствие энергии и дозозависимости, чувствительность к интенсивности облучения, подходящий диапазон доз, высокая стабильность и воспроизводимость, а также минимальная зависимость от внешних факторов [4]. В этой статье мы рассмотрим основные требования и дадим конкретные рекомендации, исходя из различных областей применения.
Реакция на дозу. Подразумевает зависимость между выбранным параметром и уровнем облучения. В идеале эта зависимость должна быть линейной. Если же достичь полной линейности невозможно, то кривая «доза-эффект» должна оставаться монотонной, чтобы поддерживать четкую связь между реакцией и значениями дозы. Для дозиметрии ионизирующего излучения критически важен именно линейный диапазон, так как в нелинейных областях могут возникать значительные ошибки. Даже небольшие неточности в показаниях дозиметра могут привести к серьёзным искажениям в оценке дозы.
Диапазон доз. Это важный аспект, который следует учитывать при проектировании или выборе дозиметров. Он определяет минимальные и максимальные дозы, которые можно точно измерить с допустимой погрешностью. Минимальная обнаруживаемая доза, или нижний предел обнаружения, определяется как уровень сигнала, который превышает стандартное отклонение инструментального шума в три раза. Этот предел зависит как от самого дозиметра, так и от используемого измерительного оборудования. В зависимости от области применения нижний предел обнаружения может варьироваться: от мкГр (для окружающей среды) до Гр (для лучевой терапии), или от Дж/см 2 (для фотодинамической терапии) до кДж/см 2 (для освещения в музеях).
Максимальная регистрируемая доза также зависит от характеристик дозиметра, но её можно увеличить с помощью фильтров нейтральной плотности, если интенсивность облучения не влияет на чувствительность прибора. Однако это может усложнить систему и увеличить затраты. Поэтому обычно лучше использовать диапазон доз, который соответствует характеристикам дозиметра, чтобы удовлетворить специфические требования.
Чувствительность. Чувствительность дозиметра — это мера его реакции на единицу радиационного облучения. Это свойство особенно важно для измерения низких доз. Уровень чувствительности может варьироваться в зависимости от множества факторов, включая внутренние характеристики дозиметра, параметры его срабатывания, процесс считывания данных и используемое оборудование. В реальных условиях чувствительность дозиметра должна превышать требования, выдвигаемые для конкретных приложений.
Угасание. В случае пассивной дозиметрии информация о дозе сначала фиксируется дозиметром, а затем извлекается с помощью оптических, электрических или тепловых воздействий. Время между облучением и получением данных может варьироваться от нескольких минут до нескольких месяцев в зависимости от конкретного применения. Например, для индивидуальной дозиметрии окружающей среды и мониторинга освещения в музеях дозиметры должны работать непрерывно на протяжении длительного времени. Поэтому идеальный дозиметр должен сохранять зарегистрированную информацию о дозе без ухудшения качества со временем. Угасание оценивается путём измерения сохранённого сигнала через различные промежутки времени после облучения.
Воспроизводимость. Означает способность дозиметра давать стабильные результаты при одинаковой дозе облучения. Это критически важно для обеспечения точности и надёжности измерений. Различия в результатах могут возникать из-за характеристик самого дозиметра, его истории использования, условий окружающей среды и точности системы считывания.
Возможность повторного использования. Подразумевает, что дозиметр можно использовать многократно после его восстановления, обычно с помощью тепловых или оптических методов. Однако высокотемпературная обработка может изменить зависимость дозиметра от уровня облучения, что потенциально снижает возможность его повторного использования. Кроме того, при оценке возможности повторного использования необходимо учитывать износ дозиметра, особенно в результате воздействия высоких доз радиации.
Зависимость от интенсивности облучения. В различных дозиметрических системах интенсивность источников излучения может сильно колебаться. Для обеспечения точности результатов на чувствительность дозиметра не должны влиять изменения интенсивности облучения. На практике это означает, что дозиметр должен выдавать одинаковые показания независимо от того, подвергался ли он воздействию высокой дозы в течение короткого периода времени или низкой дозы в течение длительного времени. Эту эффективность можно проверить, регулируя интенсивность и продолжительность воздействия при сохранении постоянной общей дозы. Такая независимость от дозы достижима только в том случае, если отклик дозиметра остается линейным по отношению к интенсивности.
Зависимость от энергии облучения. Энергетическая зависимость показаний дозиметра указывает на то, как они меняются в зависимости от энергии падающих фотонов. Например, в случае рентгеновских лучей на реакцию дозиметра влияет его химический состав. Как правило, дозиметры калибруются для определенной энергии излучения, но фактическая энергия источника излучения может значительно варьироваться. Для обеспечения точности дозиметрии прибор должен давать стабильные показания для одной и той же дозы облучения, независимо от энергии фотонов. Это означает, что чувствительность дозиметра должна оставаться равномерной в широком диапазоне энергий излучения. Если это не так, могут потребоваться дополнительные калибровки или фильтры, изменяющие энергопотребление, для учета зависящих от энергии изменений в характеристиках дозиметра.
В персональной дозиметрии крайне важно, чтобы энергетический отклик дозиметра точно соответствовал энергетическому отклику тканей человека. Такая настройка гарантирует, что доза, измеренная дозиметром, может быть напрямую соотнесена с дозой, поглощённой тканями человека.
Зависимость от условий окружающей среды. В идеале на работу дозиметра не должны влиять изменения температуры, давления или влажности во время дозиметрии. Однако в реальных условиях применения некоторые дозиметры чувствительны к факторам окружающей среды, и поэтому требуют надлежащей калибровки для учёта этих воздействий.
Литература:
1. Арутюнян Р. В. Авария на АЭС «Fukushima-1»: опыт реагирования и уроки. 2013.
2. Гусев Н. Г., Беляев В. А. Радиоактивные выбросы в биосфере: справочник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1991. 256 с.
3. Сивухин Д. В. Общий курс физики. В 5-ти томах. Том 5. Атомная и ядерная физика. М.: Физматлит, 2024.
4. Кнежевич Ж., Майер М., Барановска З., Белац О. К., Юрларо Д., Кржанович Н., Мариотти Ф., Нодило М., Ноймайер С., Волощук К., Живанович М. Исследование основных свойств различных пассивных дозиметрических систем, используемых для радиационного мониторинга окружающей среды после ядерных или радиологических событий. Измерения радиации 146, 106615, 2021
5. Сунил Джайн. Радиация в медицинской практике и последствия радиации для здоровья: обоснование, риски и выгоды. Журнал семейной медицины и первичной медико-санитарной помощи, 10 (4), 1520–1524, 2021
