RU2792633C1

RU2792633C1 - Method for dosimetry of photon and corpuscular ionizing radiation

Info

Publication number: RU2792633C1
Application number: RU2022108248A
Authority: RU
Inventors: Игорь Игоревич Мильман; Александр Иванович Сюрдо; Ринат Мансурович Абашев; Екатерина Николаевна Вазирова
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2023-03-22

Abstract

FIELD: dosimetry of ionizing radiation.

SUBSTANCE: method for dosimetry of photon and corpuscular ionizing radiation includes measuring the concentration of paramagnetic centres created by irradiation of a sensitive substance of a detector made in the form of a cylinder with ionizing radiation by the method of electron paramagnetic resonance, while a copolymer of tetrafluoroethylene and ethylene with the structural formula (CF₂-CF₂-CH₂-CH₂)n, with dimensions of 5 mm in diameter and 1 mm in height.

EFFECT: increased sensitivity and radiation resistance of the EPR detector.

1 cl, 6 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к дозиметрии ионизирующих излучений, в частности, к дозиметрии фотонных и корпускулярных излучений методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и направлено на повышение чувствительности, надежности и достоверности проводимых измерений. Оно может быть использовано для контроля технологических доз персонала и пациентов в ядерной медицине, дозиметрическом контроле режимов работы ускорителей, ядерно-энергетических установок, в научных исследованиях и др.The invention relates to the dosimetry of ionizing radiation, in particular, to the dosimetry of photon and corpuscular radiation by the method of electron paramagnetic resonance (EPR) and is aimed at increasing the sensitivity, reliability and reliability of measurements. It can be used to control technological doses of personnel and patients in nuclear medicine, dosimetric control of operating modes of accelerators, nuclear power plants, in scientific research, etc.

Известен способ дозиметрии фотонных и корпускулярных излучений путем регистрации концентрации парамагнитных центров (ПМЦ), образующихся во многих органических и неорганических материалах под действием облучения, определяемой по интенсивности сигналов ЭПР [Иванов В. И. Курс дозиметрии. Москва. Атомиздат. 1978. С. 392; Knoll G.F. Radiation detection and measurement. Third edition. John Wiley & Sons Inc. New York, Chichester, Weinheim, Brisbane, Toro, Singapore, 2000, P. 816]. Интегральная интенсивность таких сигналов оказывается пропорциональной поглощенной в материалах дозе излучений. Отличительными особенностями ЭПР-дозиметрии являются: отсутствие необходимости предварительной подготовки чувствительного материала детектора; неразрушающий способ считывания информации, позволяющий многократно проводить измерения одной и той же дозы или накапливать дозы в разных циклах измерений с последующим их разделением; простота проведения процедуры измерения-помещение детектора в резонатор спектрометра ЭПР; время измерения одного детектора может достигать от 40 секунд до менее, чем 10 секунд; диапазон измеряемых доз импульсных и непрерывных фотонных и электронных излучений с энергиями от 0,1 -28 МэВ, от 0,5 до более чем 10⁵Гр с точностью ± 2%.A known method of dosimetry of photon and corpuscular radiation by registering the concentration of paramagnetic centers (PMC) formed in many organic and inorganic materials under the action of irradiation, determined by the intensity of the EPR signals [Ivanov V. I. Course of dosimetry. Moscow. Atomizdat. 1978, p. 392; Knoll GF Radiation detection and measurement. third edition. John Wiley & Sons Inc. New York, Chichester, Weinheim, Brisbane, Toro, Singapore, 2000, p. 816]. The integral intensity of such signals turns out to be proportional to the radiation dose absorbed in the materials. Distinctive features of EPR dosimetry are: no need for preliminary preparation of the sensitive material of the detector; a non-destructive way of reading information that allows you to repeatedly measure the same dose or accumulate doses in different measurement cycles with their subsequent separation; simplicity of the measurement procedure - placing the detector in the cavity of the EPR spectrometer; the measurement time of one detector can reach from 40 seconds to less than 10 seconds; range of measured doses of pulsed and continuous photon and electron radiation with energies from 0.1 -28 MeV, from 0.5 to more than 10 ⁵ Gy with an accuracy of ± 2%.

Технической проблемой, решаемой в предлагаемом изобретении, является повышение чувствительности способа его радиационной и химической стойкости. Особенности решений современных задач ЭПР - дозиметрии фотонных и корпускулярных ионизирующих излучений заключаются в необходимости проведения большого количества рутинных измерений, требующих большого количества легко доступных, твердотельных, радиационно-стойких, химически инертных, воспроизводимых по ЭПР - свойствам и геометрическим размерам детекторов из тканеэквивалентных материалов, пригодных для применения их в радиационных технологиях обеззараживания продуктов питания, стерилизации медицинских изделий, в радиационной диагностике и терапии онкологических заболеваниях, включая варианты медицинских исследований непосредственного, прямого, размещения ЭПР - детектора «in vivo». Поэтому разработка способа дозиметрии фотонных и корпускулярных ионизирующих излучений, удовлетворяющих перечисленным выше требованиям, является важной технической проблемой. The technical problem solved in the proposed invention is to increase the sensitivity of the method of its radiation and chemical resistance. Features of solving modern problems of EPR - dosimetry of photon and corpuscular ionizing radiations are the need for a large number of routine measurements that require a large number of readily available, solid-state, radiation-resistant, chemically inert, reproducible in terms of EPR - properties and geometric dimensions of detectors made of tissue-equivalent materials, suitable for their application in radiation technologies for food disinfection, sterilization of medical devices, in radiation diagnostics and therapy of oncological diseases, including options for medical studies of direct, direct, placement of an EPR - detector "in vivo". Therefore, the development of a method for dosimetry of photon and corpuscular ionizing radiation that meets the above requirements is an important technical problem.

Из существующего уровня техники известны способы дозиметрии фотонных и корпускулярных ионизирующих излучений путем регистрации методом ЭПР интенсивности сигналов парамагнитных центров (ПМЦ), образующихся в некоторых органических и неорганических материалах, облученных тормозным или гамма - излучением, потоками ускоренных ионов, нейтронами. From the existing level of technology, methods are known for dosimetry of photon and corpuscular ionizing radiation by recording, by EPR, the intensity of signals from paramagnetic centers (PMC) formed in some organic and inorganic materials irradiated with bremsstrahlung or gamma radiation, accelerated ion fluxes, neutrons.

Известен способ дозиметрии фотонных и корпускулярных излучений с помощью твердотельных детекторов на основе аланина [The Use of Alanine as Solid a Solid Dosimeter [W.W. Bradshaw et.al. Radiation Research. Vol. 17, No 1 (1962), p.p. 11-21]. Этот способ является одним из первых примеров возможности дозиметрии фотонных излучений (γ - излучение 60Co; тормозное излучение терапевтического аппарата 260кВ, 18мА), электронных излучений (β - излучение Sr - 90), ускоренных протонов с энергией 14 МэВ, основанной на измерении концентраций ПМЦ методом ЭПР, созданных ионизирующим излучением в L-α - аланине (СН3-CH(NH2)-СООН). Результатом последующих многолетних исследований явилось то, что Международным Агенством по Атомной Энергии (IAEA), стандартным способом измерения высоких доз облучения в рутинных и эталонных измерениях, принята L-α - аланин/ЭПР - дозиметрия [Guidelines for the development, validation and routine of industrial radiation processed. Radiation Technology series. 2013. No. 4. IAEA. Vienna]. В большой степени широкому применению L-α-аланиновой/ЭПР - дозиметрии в радиотерапии, радиационной стерилизации продуктов питания и изделий медицинской технике, в других медико-биологических приложениях, способствовала близость эффективного атомного номера аланина (Zэфф = 7,41) к эффективному атомному номеру биологической ткани (Zэфф = 7,42), т. е. его тканеэквивалентность [Carcia T. et. al. A methodology for choosing parameters for ESR readout of alanine dosimeters for radiotherapy. Radiation Physics and Chemistry 78 (2009) 782-790]. A known method of dosimetry of photon and corpuscular radiation using solid-state detectors based on alanine [The Use of Alanine as Solid a Solid Dosimeter [W.W. Bradshaw et al. radiation research. Vol. 17, No 1 (1962), p.p. 11-21]. This method is one of the first examples of the possibility of dosimetry of photon radiation (γ - radiation 60Co; bremsstrahlung of a therapeutic device 260kV, 18mA), electron radiation (β - radiation Sr - 90), accelerated protons with an energy of 14 MeV, based on the measurement of PMC concentrations by the method EPR created by ionizing radiation in L-α - alanine (CH3-CH(NH2)-COOH). The result of many years of subsequent research was that the International Atomic Energy Agency (IAEA), the standard way to measure high doses of radiation in routine and reference measurements, adopted L-α - alanine / EPR - dosimetry [Guidelines for the development, validation and routine of industrial radiation processed. Radiation Technology series. 2013. No. 4.IAEA. Vienna]. To a large extent, the widespread use of L-α-alanine / EPR - dosimetry in radiotherapy, radiation sterilization of food and medical equipment, in other biomedical applications, was facilitated by the proximity of the effective atomic number of alanine (Zeff = 7.41) to the effective atomic number biological tissue (Zeff = 7.42), i.e. its tissue equivalence [Carcia T. et. al. A methodology for choosing parameters for ESR readout of alanine dosimeters for radiotherapy. Radiation Physics and Chemistry 78 (2009) 782-790].

Известен способ дозиметрии гамма-излучения с помощью измерения сигналов парамагнитных центров, возникающих в детекторе, в качестве которого использовался дигидрат дитионата бария (BaS₂O₆ ⋅ 2H₂O) [Патент РФ №1545782].A known method of dosimetry of gamma radiation by measuring the signals of paramagnetic centers arising in the detector, which was used dihydrate of barium dithionate (BaS ₂ O ₆ ⋅ 2H ₂ O) [RF Patent No. 1545782].

Известен также способ ЭПР - дозиметрии гамма-излучения, в котором в качестве детектора использовалась зубная эмаль животных Патент РФ № 2646549]. There is also known a method of EPR - dosimetry of gamma radiation, in which the tooth enamel of animals was used as a detector RF Patent No. 2646549].

Все вышеперечисленные способы основаны на предварительном создании в материалах детекторов парамагнитных центров, образующихся при облучении ионизирующим излучением, концентрация которых, определяемая методом ЭПР, пропорционально поглощенной дозе. All of the above methods are based on the preliminary creation of paramagnetic centers in the materials of the detectors, which are formed during irradiation with ionizing radiation, the concentration of which, determined by the EPR method, is proportional to the absorbed dose.

Реализация способов дозиметрии фотонных и корпускулярных ионизирующих излучений, описанных в вышеприведенных примерах, позволяет решать в разной степени частные задачи, но не обладают достаточным комплексом свойств для их применения в ряде современных практических приложений. Implementation of methods dosimetry of photon and corpuscular ionizing radiation, described in the above examples, allows solving particular problems to varying degrees, but does not have a sufficient set of properties for their use in a number of modern practical applications.

В способе, описанном в [The Use of Alanine as Solid a Solid Dosimeter [W.W. Bradshaw et.al. Radiation Research. Vol. 17, No 1 (1962), p.p. 11-21], ЭПР - спектр облученного аланина имеет плохо разрешенную восьмикомпонентную сверхтонкую структурой, затрудняющую определение интенсивности сигнала ПМЦ, для точного его определения необходимо применять математическую обработку спектра; линейность дозовой зависимости аланина ограничена величиной ~10⁴ Гр, выше которой наблюдается насыщение сигнала ЭПР, а при дозах ниже ~1Гр, сигнал становится соизмеримым с уровнем шумов; аланин чувствителен к свету как при облучении, так и при хранении облученных детекторов, потеря запасенной информации при этом может составлять до 20% от первоначального уровня; на точность измерения аланиновым детектором влияют влажности воздуха и присутствие озона, образующегося в помещениях при работе электронных ускорителей.In the method described in [The Use of Alanine as Solid a Solid Dosimeter [WW Bradshaw et.al. radiation research. Vol. 17, No 1 (1962), pp 11-21]. the linearity of the dose dependence of alanine is limited by ~10 ⁴ Gy, above which the saturation of the EPR signal is observed, and at doses below ~1 Gy, the signal becomes commensurate with the noise level; alanine is sensitive to light both during irradiation and during storage of irradiated detectors; in this case, the loss of stored information can be up to 20% of the initial level; the measurement accuracy of an alanine detector is affected by air humidity and the presence of ozone generated in rooms during the operation of electron accelerators.

В способе, [Патент №1545782], ЭПР - детектор на основе дигидрат дитионата бария является не тканеэквивалентным рабочим веществом из-за наличия в химическом составе тяжелых элементов (барий, сера); порошковая форма рабочего вещества, виде навесок, приводит к невозможности создания больших партий однородных по свойствам детекторов. In the method, [Patent No. 1545782], the EPR detector based on barium dithionate dihydrate is not a tissue-equivalent working substance due to the presence of heavy elements (barium, sulfur) in the chemical composition; the powder form of the working substance, in the form of weighed portions, leads to the impossibility of creating large batches of detectors that are homogeneous in properties.

В способе, описанном в [Патент РФ № 2646549], материал детектора для ЭПР дозиметрии ионизирующих излучений на основе зубной эмали животного не позволяет создавать большие партии однородных по ЭПР - свойствам детекторов.In the method described in [RF Patent No. 2646549], the material of the detector for EPR dosimetry of ionizing radiation based on animal tooth enamel does not allow creating large batches of detectors that are homogeneous in terms of EPR properties.

Описанные способы решают задачу дозиметрии фотонных и корпускулярных ионизирующих излучений, но не позволяют решить проблему повышения чувствительности детектора, его радиационной и химической стойкости и обеспечить тем самым, повышение надежности, точности и достоверности дозиметрической информации, на которые направлено предлагаемое изобретение.The described methods solve the problem of dosimetry of photon and corpuscular ionizing radiation, but do not allow solving the problem of increasing the sensitivity of the detector, its radiation and chemical resistance and thereby ensuring an increase in the reliability, accuracy and reliability of dosimetric information, to which the present invention is directed.

Наиболее близким к заявляемому является способ, описанный в [Vehar D. W. et. al. EPR/PTFE dosimetry for test reactor environments. J. ASTM Int. 2012.V. 9.1.5. P. 1-11; Мильман И. И. и др. Политетрафторэтилен в высокодозной ЭПР дозиметрии для контроля радиационных технологий. Дефектоскопия. 2019. N11. C. 52 -58; Connick R. C. et. al. Measuring Very Low Radiation Doses in PTFE for Nuclear Forensic Enrichment Reconstruction. Submitted Manuscript Confidential. Template revised February 2021], в котором дозиметрия фотонных и корпускулярных ионизирующих излучений осуществляется с помощью измерения сигналов парамагнитных центров методом ЭПР, возникающих при облучении ионизирующим излучением в высокомолекулярном кристаллическом политетрафторэтилене (ПТФЭ, промышленно выпускаемого под торговой маркой фторопласт Ф - 4), химическая формула: (C₂F₄)_n). Химическая стойкость ПТФЭ превышает стойкость всех известных детекторов, используемых в ЭПР -дозиметрии, он стоек ко всем минеральным и органическим кислотам, щелочам, органическим растворителям, газам и другим агрессивным средам, не смачивается водой и не подвергается воздействию воды при длительных испытаниях. ПТФЭ является тканеэквивалентным соединением, но, в отличие от L-α-аланина, его ЭПР-спектр имеет однокомпонентную структуру, что упрощает процедуру считывания информации. Как показали наши исследования [Мильман И. И. и др. Политетрафторэтилен в высокодозной ЭПР дозиметрии для контроля радиационных технологий. Дефектоскопия. 2019. N11. C. 52 -58], ЭПР - чувствительность ПТФЭ выше, чем у L-α-аланина. Доступность и относительно низкая стоимость ПТФЭ позволяет формировать большие партии твердотельных однородных по свойствам детекторов для рутинных и референсных измерений. Парамагнитные центры, созданные облучением в ПТФЭ, стабильны во времени, их деградация (фединг) не превышает нескольких процентов от начального уровня за год хранения при нормальных условиях. Особенностью ПТФЭ является его относительно низкая радиационная стойкость, ограничивающая верхний предел измерений доз величиной порядка ~ 10⁵ Гр, что не позволяет расширить верхний диапазон измеряемых доз до 10⁶-10⁸ Гр, необходимый для решения ряда задач, связанных с радиационной модификацией специальных материалов [Радиационная стойкость материалов радиотехнических конструкций (справочник). Под. ред. Н. А. Сидорова В. К. Князева. М., «Сов. Радио», 1976, 568 с.]. Таким образом, наиболее близкий к заявляемому способ, решает задачу ЭПР- дозиметрии в диапазоне умеренных доз, 10³-10⁵ Гр, но не позволяет решить техническую проблему одновременного увеличения его чувствительности и радиационной стойкости, на которую направлено предлагаемое изобретение.Closest to the claimed is the method described in [Vehar DW et. al. EPR/PTFE dosimetry for test reactor environments. J. ASTM Int. 2012.V. 9.1.5. P. 1-11; Milman II et al. Polytetrafluoroethylene in high-dose EPR dosimetry for monitoring radiation technologies. Defectoscopy. 2019. No. 11. C. 52-58; Connick RC et. al. Measuring Very Low Radiation Doses in PTFE for Nuclear Forensic Enrichment Reconstruction. Submitted Manuscript Confidential. Template revised February 2021], in which dosimetry of photon and corpuscular ionizing radiation is carried out by measuring the signals of paramagnetic centers by the EPR method that occur when irradiated with ionizing radiation in high molecular weight crystalline polytetrafluoroethylene (PTFE, commercially available under the trademark fluoroplastic F - 4), the chemical formula is: (C ₂ F ₄ ) _n ). The chemical resistance of PTFE exceeds that of all known detectors used in EPR dosimetry, it is resistant to all mineral and organic acids, alkalis, organic solvents, gases and other aggressive media, is not wetted by water and is not exposed to water during long-term tests. PTFE is a tissue-equivalent compound, but, unlike L-α-alanine, its EPR spectrum has a one-component structure, which simplifies the procedure for reading information. As shown by our studies [Milman I. I. et al. Polytetrafluoroethylene in high-dose EPR dosimetry for monitoring radiation technologies. Defectoscopy. 2019. No. 11. C. 52 -58], EPR - the sensitivity of PTFE is higher than that of L-α-alanine. The availability and relatively low cost of PTFE makes it possible to form large batches of solid-state detectors with uniform properties for routine and reference measurements. Paramagnetic centers created by irradiation in PTFE are stable over time, their degradation (fading) does not exceed a few percent of the initial level per year of storage under normal conditions. A feature of PTFE is its relatively low radiation resistance, which limits the upper limit of dose measurements to a value of the order of ~ 10 ⁵ Gy, which does not allow expanding the upper range of measured doses to 10 ⁶ -10 ⁸ Gy, which is necessary for solving a number of problems related to the radiation modification of special materials [ Radiation resistance of materials for radio engineering structures (reference book). Under. ed. N. A. Sidorova V. K. Knyazeva. M., "Owls. Radio”, 1976, 568 p.]. Thus, the method closest to the claimed method solves the problem of EPR dosimetry in the range of moderate doses, 10 ³ -10 ⁵ Gy, but does not solve the technical problem of simultaneously increasing its sensitivity and radiation resistance, to which the present invention is directed.

Техническая проблема решается достижением технического результата, заключающегося в том, что в способе дозиметрии фотонных и корпускулярных ионизирующих излучений, включающим измерение концентраций парамагнитных центров, созданных при облучении ионизирующим излучением чувствительного вещества - детектора, методом электронного парамагнитного резонанса, согласно изобретению, в качестве чувствительного вещества детектора используется сополимер тетрафторэтилена и этилена (ЭТФЭ, промышленное обозначение Ф-40), имеющего структурную формулу (CF₂-CF₂-CH₂-CH₂)n.The technical problem is solved by achieving a technical result, which consists in the fact that in the method of dosimetry of photon and corpuscular ionizing radiation, including the measurement of the concentration of paramagnetic centers created by irradiation of a sensitive substance - detector with ionizing radiation, by the method of electron paramagnetic resonance, according to the invention, as a sensitive substance of the detector a copolymer of tetrafluoroethylene and ethylene (ETFE, industrial designation F-40) having the structural formula (CF ₂ -CF ₂ -CH ₂ -CH ₂ )n is used.

ЭТФЭ являясь структурной модификацией ПТФЭ, «наследует» большую часть его полезных для применения в качестве детектора ионизирующих излучений физико - химических свойств, таких как: тканеэквивалентность, химическая инертность, термическую стойкость в интервале от -270 до + 260°С, низкая стоимость, доступность, освоенная технология получения и возможность формирования больших партий детекторов с однородными ЭПР - свойствами. Но, в отличие от ПТФЭ, как показали наши исследования, ЭПР - детекторы на основе ЭТФЭ обладают одновременно более высокой чувствительностью и радиационной стойкостью.ETFE, being a structural modification of PTFE, "inherits" most of its physical and chemical properties useful for use as an ionizing radiation detector, such as: tissue equivalence, chemical inertness, thermal stability in the range from -270 to + 260 ° C, low cost, availability , the mastered production technology and the possibility of forming large batches of detectors with uniform EPR properties. But, unlike PTFE, as our studies have shown, EPR-detectors based on ETFE have both higher sensitivity and radiation resistance.

Физические основы достижения заявляемого результата. В полимерных материалах (ПТФЭ и ЭТФЭ) под действием ионизирующего излучения, происходят возбуждение и ионизация, сопровождающиеся разрывами химических связей и образованием активных частиц - свободных радикалов - частиц, содержащих один или несколько неспаренных электронов на внешней электронной оболочке - ПМЦ, регистрируемые методом ЭПР. В облученных полимерах в результате радиационно-химических процессов, как правило, образуется несколько типов ПМЦ. В ПТФЭ с относительно большим радиационным выходом образуются фторалкильные радикалы R₁ (-CF₂-ĊF- CF₂- ) и концевые радикалы R₂ (ĊF₂). Видно, что в ПТФЭ основу радикалов составляют атомы углерода (ĊF и ĊF₂). Эта особенность обусловлена как свойствами атомов углерода и фтора, так и механизмами взаимодействия излучения с веществом политетрафторэтилена.Physical basis for achieving the claimed result. In polymeric materials (PTFE and ETFE) under the action of ionizing radiation, excitation and ionization occur, accompanied by breaking of chemical bonds and the formation of active particles - free radicals - particles containing one or more unpaired electrons on the outer electron shell - PMC, recorded by the EPR method. As a rule, several types of PMC are formed in irradiated polymers as a result of radiation-chemical processes. In PTFE, fluoroalkyl radicals R ₁ (-CF ₂ -ĊF- CF ₂ - ) and terminal radicals R ₂ (ĊF ₂ ) are formed with a relatively high radiation yield. It can be seen that in PTFE the radicals are based on carbon atoms (ĊF and ĊF ₂ ). This feature is due both to the properties of carbon and fluorine atoms and to the mechanisms of radiation interaction with polytetrafluoroethylene.

При облучении полимеров основная часть энергии передается среде вторичными электронами, образованными первичным излучением. Независимо от типа первичного излучения конечный радиационный эффект обусловлен взаимодействием электронов с полимерными молекулами. В практически используемой области энергий различные типы первичного излучения можно разложить в следующий убывающий ряд по относительному вкладу вторичных электронов в величину поглощенной энергии: ускоренные электроны и β - излучение , тормозное и γ - излучения, нейтроны, протоны, α - частицы и тяжелые ионы. В случае электронов и γ - излучения практически вся энергия передается веществу с помощью вторичных электронов. При использовании тяжелых заряженных частиц вклад вторичных электронов также значителен. Таким образом, процессы взаимодействия с электронами имеют первостепенное значение в механизме создания ПМЦ в ПТФЭ.When polymers are irradiated, the main part of the energy is transferred to the medium by secondary electrons formed by the primary radiation. Regardless of the type of primary radiation, the final radiation effect is due to the interaction of electrons with polymer molecules. In the practically used energy range, various types of primary radiation can be expanded into the following decreasing series according to the relative contribution of secondary electrons to the amount of absorbed energy: accelerated electrons and β - radiation, bremsstrahlung and γ - radiation, neutrons, protons, α - particles and heavy ions. In the case of electrons and γ - radiation, almost all the energy is transferred to the substance with the help of secondary electrons. When heavy charged particles are used, the contribution of secondary electrons is also significant. Thus, the processes of interaction with electrons are of paramount importance in the mechanism of the formation of PMC in PTFE.

Быстрые первичные электроны, испускаемые изотопными источниками, генерируемые ускорителями заряженных частиц или рожденные в результате взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, обычно имеют энергию 10³÷10⁵эВ. Первичные электроны передают свою энергию электронам облучаемого вещества, вырывая их из атомов. Ввиду неразличимости первичного и вторичного электронов после соударения, первичным считают электрон, обладающий большей энергией. Это означает, что максимальная энергия, переданная в соударении, составляет не более половины величины энергии первичного электрона. Таким образом энергия вторичного электрона может находиться в диапазоне от нуля до половины энергии первичного электрона.Fast primary electrons emitted by isotope sources, generated by charged particle accelerators or born as a result of interaction of electromagnetic radiation with matter, usually have an energy of 10 ³ ÷10 ⁵ eV. Primary electrons transfer their energy to the electrons of the irradiated substance, tearing them out of the atoms. In view of the indistinguishability of the primary and secondary electrons after the collision, the electron with the highest energy is considered primary. This means that the maximum energy transferred in the collision is no more than half the energy of the primary electron. Thus, the energy of the secondary electron can be in the range from zero to half the energy of the primary electron.

При рассмотрении дальнейшей судьбы вторичных электронов целесообразно разделить их по энергиям на три диапазона: <5 эВ, 5÷100 эВ>100 эВ. В этом разделении около 40% вторичных электронов имеют энергию меньше 5 эВ. Такие электроны после их образования будут снова захвачены своим материнским ионом, не успев принять участия во взаимодействиях с другими атомами вещества.When considering the further fate of secondary electrons, it is advisable to divide them into three energy ranges: <5 eV, 5÷100 eV>100 eV. In this division, about 40% of the secondary electrons have energies less than 5 eV. Such electrons, after their formation, will be captured again by their parent ion, without having time to take part in interactions with other atoms of the substance.

Около 50% общего количества составляют вторичные электроны с энергией от 5 до 100 эВ. Энергия этих электронов достаточна, чтобы, покинув поле материнского иона, участвовать в процессе ионизации и возбуждения молекул вещества. Эти электроны образуют одну - две ионизованных молекулы (ПМЦ), причем из-за малости их энергии этот эффект локализован в цилиндрической области диаметром менее 10 А, расположенной вдоль трека первичной частицы. После достижения энергетического уровня, ниже которого возбуждение и ионизация невозможны, они также захватываются в процессе торможения.About 50% of the total number are secondary electrons with energies from 5 to 100 eV. The energy of these electrons is sufficient to take part in the process of ionization and excitation of substance molecules after leaving the field of the parent ion. These electrons form one or two ionized molecules (PMC), and because of their low energy, this effect is localized in a cylindrical region with a diameter of less than 10 A, located along the track of the primary particle. After reaching an energy level below which excitation and ionization are impossible, they are also captured in the process of deceleration.

Небольшое число вторичных электронов (несколько процентов) обладает энергией, превышающей 100 эВ. Такие электроны способны удаляться от места своего «рождения» и произвести на своем пути большое число ионизаций. Вторичные электроны, обладающие энергией более 100 эВ и по своей ионизирующей способности не отличающиеся от первичных электронов, называют δ - электронами. Вклад δ - электронов в конечный эффект создания свободных радикалов несоизмерим с их количеством, можно считать, что δ - электроны ответственны почти за половину всех актов ионизации, производимых первичным электроном. При этом плотность ионизации вдоль пути δ - электронов в веществе может значительно превышать плотность ионизации первичного электрона.A small number of secondary electrons (a few percent) have energies in excess of 100 eV. Such electrons are able to move away from the place of their "birth" and produce a large number of ionizations on their way. Secondary electrons that have an energy of more than 100 eV and do not differ from primary electrons in their ionizing ability are called δ - electrons. The contribution of δ - electrons to the final effect of creating free radicals is incommensurable with their number, we can assume that δ - electrons are responsible for almost half of all ionization acts produced by the primary electron. In this case, the ionization density along the path of δ - electrons in a substance can significantly exceed the ionization density of the primary electron.

В соответствии с рассмотренными механизмами создания ПМЦ в органических соединениях в Таблице 1 приведены ионизационные характеристики атомов, входящих в состав ПТФЭ: первые потенциалы ионизации - энергия, необходимая для отрыва электрона от свободного невозбужденного атома (I₀), энергия связи электрона на К - уровне (Е_К), средний потенциала ионизации (I).In accordance with the considered mechanisms for the creation of PMC in organic compounds, Table 1 shows the ionization characteristics of the atoms that make up PTFE: the first ionization potentials are the energy required to detach an electron from a free unexcited atom (I ₀ ), the electron binding energy at the K - level ( E _K ), average ionization potential (I).

Таблица 1Table 1 ЭлементElement I₀, эВI ₀ , eV I, эВI, eV Е_К, эВE _K , eV А, а. е. мAh, a. eat СWITH 11,2711.27 7878 283283 1212 FF 17,4217.42 117117 670670 1919

Данные таблицы показывают существенно низкие потенциалы ионизации атомов углерода по сравнению с атомами фтора, что приводит к его эффективной ионизации и образованию ПМЦ как первичными, так и вторичными электронными излучениями, по сравнению с ионизацией атомов фтора. Следовательно, для повышения чувствительности ПТФЭ ЭПР- детектора, в его модификации (ЭТФЭ), для повышения выхода ПМЦ, необходимо в строении его молекулы увеличить содержание углерода.These tables show significantly low ionization potentials of carbon atoms compared to fluorine atoms, which leads to its effective ionization and the formation of PMC by both primary and secondary electron radiation, compared to the ionization of fluorine atoms. Therefore, to increase the sensitivity of the PTFE EPR detector, in its modification (ETFE), to increase the yield of PMC, it is necessary to increase the carbon content in the structure of its molecule.

Заявляемый технический результат достигается за счет повышенного содержания атомов углерода - базового элемента для создания парамагнитных центров в молекулах ЭTФЭ, по сравнению с молекулой ПТФЭ, что способствует одновременно более высокой чувствительности и радиационной стойкости заявляемого способа.The claimed technical result is achieved due to the increased content of carbon atoms - the basic element for creating paramagnetic centers in the ETFE molecules, compared with the PTFE molecule, which simultaneously contributes to a higher sensitivity and radiation resistance of the proposed method.

Молярная масса ПТФЭ (-С₂F₄-): 12⋅2+4⋅19 = 100 а. е. м. Процентное содержания углерода в молекуле составляет 24/100 = 24%.Molar mass of PTFE (-С ₂ F ₄ -): 12⋅2+4⋅19 = 100 a. e. m. The percentage of carbon in the molecule is 24/100 = 24%.

Молярная масса ЭТФЭ (CF₂-CF₂-CH₂-CH₂): 12 +2⋅19 + 12 +2⋅19 +12 +2⋅1 + +12 + 2⋅1 = 128 а. е. м. Процентное содержания углерода в молекуле составляет 52/114 = 42%. Таким образом, процентное содержание углерода в молекуле ЭТФЭ почти в 2 раза превышает его содержание в молекуле ПТФЭ, обеспечивая повышение выхода парамагнитных центров,Molar mass of ETFE (CF ₂ -CF ₂ -CH ₂ -CH ₂ ): 12 +2⋅19 + 12 +2⋅19 +12 +2⋅1 + +12 + 2⋅1 = 128 a. e. m. The percentage of carbon in the molecule is 52/114 = 42%. Thus, the percentage of carbon in the ETFE molecule is almost 2 times higher than its content in the PTFE molecule, providing an increase in the yield of paramagnetic centers,

т. е. чувствительности способа в предлагаемом изобретении, по сравнению со способом, наиболее близким к заявляемому.i.e., the sensitivity of the method in the present invention, compared with the method closest to the claimed one.

Наличие водорода в молекулах ЭTФЭ (CF₂-CF₂-CH₂-CH₂)n одновременно оказывает положительное влияние на радиационную стойкость соединения. Введение в структуру молекул водородо - содержащих звеньев, которые не только сами устойчивы к излучению, но и могут защищать от разрушения другие полимерные молекулы, поглощая у них энергию - защита типа «губки» или защита типа «жертвы», в случае которой защищающие молекулы, могут захватывать атомарный водород, образующийся в радиационно-химическом процессе, тем самым препятствуя разрушению части ПМЦ, созданных ионизирующим излучением [Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. - М.: Наука, 1980. С. 663 -666]. Различия в радиационной стойкости ПТФЭ и ЭТФЭ, за счет присутствия водорода в составе последнего, могут составлять до 10⁴, обеспечивая верхний предел измерений доз 10⁶-10⁸Гр.The presence of hydrogen in ETFE (CF ₂ -CF ₂ -CH ₂ -CH ₂ )n molecules simultaneously has a positive effect on the radiation resistance of the compound. The introduction of hydrogen-containing units into the structure of molecules, which are not only resistant to radiation themselves, but can also protect other polymer molecules from destruction by absorbing energy from them - protection of the “sponge” type or protection of the “victim” type, in which case the protecting molecules, can capture atomic hydrogen generated in the radiation-chemical process, thereby preventing the destruction of part of the PMC created by ionizing radiation [Shirokov Yu. M., Yudin NP Nuclear physics. - M.: Nauka, 1980. S. 663 -666]. Differences in the radiation resistance of PTFE and ETFE, due to the presence of hydrogen in the composition of the latter, can be up to 10 ⁴ , providing an upper limit of dose measurements of 10 ⁶ -10 ⁸ Gy.

Таким образом, новый технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением, достигается тем, что в способе дозиметрии фотонных и корпускулярных ионизирующих излучений, повышенное содержание углерода в молекулах которого обеспечивает рост чувствительности, а водорода - радиационной стойкости. Thus, a new technical result provided by the claimed invention is achieved by the fact that in the method of dosimetry of photon and corpuscular ionizing radiation, the increased content of carbon in the molecules of which provides an increase in sensitivity, and hydrogen - radiation resistance.

Изобретение поясняется графическими изображениями:The invention is illustrated by graphic images:

На Фиг. 1 приведен ЭПР - спектр аланинового детектора, облученного электронным пучком ускорителя дозой 30 кГр. Величина поглощенной дозы оценивается по максимальному значению пика Н, методом «peak to peak», принятом в ЭПР-дозиметрии. В₀ - резонансное магнитное поле.On FIG. Figure 1 shows the EPR spectrum of an alanine detector irradiated with an accelerator electron beam at a dose of 30 kGy. The value of the absorbed dose is estimated by the maximum value of the H peak, using the “peak to peak” method adopted in EPR dosimetry. At ₀ - resonant magnetic field.

На Фиг. 2 представлен ЭПР - спектр ПТФЭ - детектора, облученного электронным пучком ускорителя дозой 50 кГр и параметры спектра Н и В₀.On FIG. 2 shows the EPR spectrum of a PTFE detector irradiated with an accelerator electron beam at a dose of 50 kGy and the spectrum parameters H and B ₀ .

На Фиг. 3 показан ЭПР - спектр ЭТФЭ - детектора, облученного электронным пучком ускорителя дозой 50кГр.On FIG. Figure 3 shows the EPR spectrum of an ETFE detector irradiated with an electron beam from an accelerator at a dose of 50 kGy.

На Фиг. 4 изображены ЭПР - спектры ПТФЭ - детекторов, облученных на ускорителе разными дозами. 1- 10кГр; 2 - 30 - кГр; 3 - 50 кГр.On FIG. 4 shows the EPR spectra of PTFE detectors irradiated at the accelerator with different doses. 1- 10kGy; 2 - 30 - kGy; 3 - 50 kGy.

На Фиг. 5 приведены ЭПР спектры ЭТФЭ - детекторов, облученных электронным пучком ускорителя дозой разными дозами. 1-10 кГр; 2 -30 кГр; 3 - 50 кГр.On FIG. Figure 5 shows the EPR spectra of ETFE detectors irradiated by the electron beam of the accelerator with a dose of different doses. 1-10 kGy; 2 -30 kGy; 3 - 50 kGy.

На Фиг. 6 приведены зависимости выходов сигнала ЭПР ПТФЭ - детекторов (1) и ЭТФЭ - детекторов (2) в расширенном до 200кГр диапазоне доз облучения электронным пучком ускорителя. В отличие от ЭТФЭ-детектора, обладающего более высокой радиационной стойкостью, пунктирной линией на этой фигуре для ПТФЭ -детектора обозначен диапазон доз деградации механической прочности детектора, в плоть до его разрушения и принятия порошковой формыOn FIG. Figure 6 shows the dependences of the EPR signal outputs of PTFE detectors (1) and ETFE detectors (2) in the dose range extended to 200 kGy by the electron beam of the accelerator. In contrast to the ETFE detector, which has a higher radiation resistance, the dotted line in this figure for the PTFE detector indicates the dose range of degradation of the mechanical strength of the detector, up to its destruction and adoption of a powder form

Для иллюстрации примера практической реализации способа и проведения сравнительных измерений выбраны три группы образцов детекторов: 1) ПТФЭ форме прямоугольных пластин 3×10×1 мм³ для облучения гамма-излучением и ПТФЭ в форме цилиндров диаметром 1 мм и высотой 10 мм для облучения электронным пучком ускорителя; 2) стандартные аланиновые детекторы в форме полосок и таблеток; 3) ЭТФЭ в форме таблеток диаметром 5 мм и высотой 1 мм для облучения гамма-излучением и электронным пучком ускорителя. Все облучения производились при комнатной температуре.To illustrate an example of the practical implementation of the method and to carry out comparative measurements, three groups of detector samples were selected: 1) PTFE in the form of rectangular plates 3 × 10 × 1 mm ³ for irradiation with gamma radiation and PTFE in the form of cylinders with a diameter of 1 mm and a height of 10 mm for irradiation with an electron beam accelerator; 2) standard alanine detectors in the form of strips and tablets; 3) ETFE in the form of tablets with a diameter of 5 mm and a height of 1 mm for irradiation with gamma radiation and the electron beam of the accelerator. All irradiations were performed at room temperature.

Источником гамма - излучения являлась стационарная установка ГУР-120 (ФГБНУ ВНИИРАЭ г. Обнинск), с калиброванным радиационным полем и сухим способ защиты, приспособленная для исследовательских целей. Установка состоит из восьми блоков-облучателей, расположенных четыре напротив четырёх, снаряженных источниками ГИК-7-4 на основе изотопа ⁶⁰Co с общей активностью A = 4,47⋅10¹⁵ Бк. Средняя мощность дозы в месте облучения образцов составляла 0,9 кГр/час. Поглощенная доза у каждого из образцов составила 20, 30 40 и 50 кГр. Для определения поглощенной дозы и контроля облучения как гамма-излучением, так и электронным пучком, использовались пленочные детекторы СО ПД(Ф)Р-5/50. Измерение их оптической плотности производилось на спектрофотометре ПЭ-5400УФ ЭКРОСХИМ. Погрешность измерения поглощенной дозы составляла не более ±7%, при доверительной вероятности P = 0.95; стандарт №1735:2011 в Реестре МСО.The source of gamma radiation was a stationary installation GUR-120 (FGBNU VNIIRAE, Obninsk), with a calibrated radiation field and a dry method of protection, adapted for research purposes. The installation consists of eight irradiator blocks located four opposite four, equipped with GIK-7-4 sources based on the ⁶⁰ Co isotope with a total activity A = 4.47⋅10 ¹⁵ Bq. The average dose rate at the site of irradiation of the samples was 0.9 kGy/hour. The absorbed dose for each of the samples was 20, 30 40 and 50 kGy. To determine the absorbed dose and control exposure to both gamma radiation and electron beam, film detectors CO PD(F)R-5/50 were used. Their optical density was measured on a PE-5400UF EKROSKHIM spectrophotometer. The error in measuring the absorbed dose was no more than ±7%, with a confidence level P = 0.95; standard No. 1735:2011 in the MCO Register.

Облучение образцов электронным пучком производилось в центре радиационной стерилизации УрФУ (г. Екатеринбург), включающем 10МэВ линейный ускоритель электронов UELR-10-10S и конвейерную линию подачи продуктов медицинского назначения на позицию облучения. Требуемая доза облучения набиралась дискретно, числом проходов детекторов через зону облучения.Samples were irradiated with an electron beam at the Ural Federal University radiation sterilization center (Yekaterinburg), which included a UELR-10-10S 10 MeV linear electron accelerator and a conveyor line for supplying medical products to the irradiation position. The required irradiation dose was collected discretely, by the number of detector passes through the irradiation zone.

Измерения спектров ЭПР проводились c помощью ЭПР спектрометра ELEXSYS E500. В качестве первичного эталона поглощенной дозы электронного излучения для передачи единиц поглощенной дозы аланиновым и тефлоновым детекторам использовался межгосударственный стандартный образец поглощенной дозы фотонного и электронного излучений (сополимер с феназиновым красителем) СО ПД(Ф)Р-5/50 с погрешностью аттестации не более ±7%, при P=0,95; N 1735:2011 в Реестре МСО. Рабочая частота спектрометра была равной 9,88Ггц, мощность излучения 2мВт, амплитуда модуляции 6Гс, диапазон изменения магнитного поля 150Гс. Величина сигнала ЭПР, связанная с поглощенной дозой облучения, оценивалась по максимальной амплитуде производной спектра поглощения или по площади спектра поглощения в относительных единицах.EPR spectra were measured using an ELEXSYS E500 EPR spectrometer. As the primary standard of the absorbed dose of electron radiation for transmitting units of the absorbed dose to alanine and Teflon detectors, the interstate standard sample of the absorbed dose of photon and electron radiation (copolymer with phenazine dye) SO PD(F)R-5/50 was used with a certification error of no more than ±7 %, at P =0.95; N 1735:2011 in the MSO Register. The operating frequency of the spectrometer was 9.88 GHz, the radiation power was 2 mW, the modulation amplitude was 6 gauss, and the range of the magnetic field was 150 gauss. The magnitude of the EPR signal associated with the absorbed radiation dose was estimated from the maximum amplitude of the derivative of the absorption spectrum or from the area of the absorption spectrum in relative units.

На Фиг.1 приведен ЭПР - спектр детектора на основе L - α - аланина и его основные параметры: высота пика Н, определяющая величину поглощенной дозы по данным предварительной калибровки, и резонансного значения магнитного поля В₀. Спектр имеет сложную структуру, затрудняющую его математическую обработку для получения более точных значений измеряемых доз.Figure 1 shows the EPR spectrum of the detector based on L - α - alanine and its main parameters: the height of the peak H, which determines the magnitude of the absorbed dose according to pre-calibration, and the resonant value of the magnetic field B ₀ . The spectrum has a complex structure, which makes it difficult to process it mathematically to obtain more accurate values of the measured doses.

На Фиг. 2 представлен ЭПР - спектр ПТФЭ - детектора, облученного электронным пучком ускорителя дозой 50 кГр и параметры спектра Н и В₀. Структура спектра намного проще спектра L - α - аланина (Фиг.1) и допускает простую математическую обработку для получения более точных значений измеряемых доз, по сравнению с «peak- to peak» методом. On FIG. 2 shows the EPR spectrum of a PTFE detector irradiated with an accelerator electron beam at a dose of 50 kGy and the spectrum parameters H and B ₀ . The structure of the spectrum is much simpler than the spectrum of L - α - alanine (Fig.1) and allows simple mathematical processing to obtain more accurate values of the measured doses, compared with the "peak-to-peak" method.

На Фиг. 3 показан ЭПР - спектр ЭТФЭ - детектора, облученного электронным пучком ускорителя дозой 50кГр. Спектр имеет небольшое отличие от спектра ПТФЭ, связанные с присутствием водорода в структуре ПТФЭ. Хорошо выраженный пик Н в спектре ЭТФЭ делает его удобным для применения метода считывания «peak- to peak».On FIG. Figure 3 shows the EPR spectrum of an ETFE detector irradiated with an electron beam from an accelerator at a dose of 50 kGy. The spectrum has a slight difference from the PTFE spectrum due to the presence of hydrogen in the PTFE structure. The well-defined H peak in the ETFE spectrum makes it convenient to use the peak-to-peak reading method.

На Фиг. 4 изображены дозовые зависимости выходов сигнала ЭПР ПТФЭ - детекторов (1) и ЭТФЭ - детекторов (2), облученных электронным пучком ускорителя в диапазоне доз 10 ÷ 50 кГр.On FIG. Figure 4 shows the dose dependences of the EPR signal outputs of PTFE detectors (1) and ETFE detectors (2) irradiated by the accelerator electron beam in the dose range of 10–50 kGy.

На Фиг. 5 приведены дозовые зависимости выходов сигнала ЭПР ПТФЭ - детекторов (1) и ЭТФЭ - детекторов (2), облученных гамма излучением изотопа Со - 60. On FIG. Figure 5 shows the dose dependences of the EPR signal outputs of PTFE detectors (1) and ETFE detectors (2) irradiated with Co-60 isotope gamma radiation.

На Фиг. 6 приведены зависимости выходов сигнала ЭПР ПТФЭ - детекторов (1) и ЭТФЭ - детекторов (2) в расширенном до 200кГр диапазоне доз облучения электронным пучком ускорителя. Пунктирной линией на этой фигуре для ПТФЭ обозначен диапазон доз изменений механических свойств детектора, вплоть до образования его порошковой формы.On FIG. Figure 6 shows the dependences of the EPR signal outputs of PTFE detectors (1) and ETFE detectors (2) in the dose range extended to 200 kGy by the electron beam of the accelerator. The dotted line in this figure for PTFE indicates the range of doses of changes in the mechanical properties of the detector, up to the formation of its powder form.

Как следует из данных Фигур 2 - 6, чувствительность заявляемого способа дозиметрии фотонных и корпускулярных ионизирующих излучений превышает чувствительность способа дозиметрии фотонных и корпускулярных ионизирующих излучений, наиболее близкого к заявляемому, почти в 5 раз при измерении доз электронных излучений и около 1,5 раз при измерений доз фотонных излучений. Как показали наши исследования в диапазоне доз 50 - 200кГр механическая прочность детекторов на основе ПТФЭ уменьшалась (диапазон доз этих изменений приведен на Фиг. 6 пунктирной линией) вплоть до образования порошкообразной формы, в то время как детекторы на основе ЭТФЭ сохраняли твердотельную форму и дозовую зависимость выхода ЭПР вплоть до доз 200 кГр, проявляя повышенную радиационную стойкость, согласующуюся с литературными данными по радиационной стойкости ЭТФЭ, полученными на основании таких видов механических испытаний, как разрывное напряжение, удлинение, ударная вязкость, напряжение сдвига, модуль эластичности [Ftorpolimer. ru].As follows from the data of Figures 2 - 6, the sensitivity of the proposed method of dosimetry of photon and corpuscular ionizing radiation exceeds the sensitivity of the method of dosimetry of photon and corpuscular ionizing radiation, which is closest to the claimed one, by almost 5 times when measuring doses of electronic radiation and about 1.5 times when measuring doses of photon radiation. As our studies showed, in the dose range of 50 - 200 kGy, the mechanical strength of PTFE-based detectors decreased (the dose range of these changes is shown in Fig. 6 by a dotted line) up to the formation of a powder form, while ETFE-based detectors retained a solid shape and dose dependence EPR output up to doses of 200 kGy, showing increased radiation resistance, consistent with the literature data on the radiation resistance of ETFE, obtained on the basis of such types of mechanical tests as breaking stress, elongation, impact strength, shear stress, modulus of elasticity [Ftorpolymer. ru].

Таким образом, заявляемый способ дозиметрии фотонных и корпускулярных ионизирующих излучений с повышенной чувствительностью и радиационной стойкостью основанный на измерении концентраций парамагнитных центров, созданных при облучении ионизирующим излучением чувствительного вещества - детектора, методом электронного парамагнитного резонанса, решает техническую проблему, за счет того, что в качестве детектора используется сополимер тетрафторэтилена и этилена, имеющий структурную формулу (CF₂-CF₂-CH₂-CH₂)n.Thus, the claimed method of dosimetry of photon and corpuscular ionizing radiation with increased sensitivity and radiation resistance, based on measuring the concentration of paramagnetic centers created by irradiation of a sensitive substance - detector with ionizing radiation, by the method of electron paramagnetic resonance, solves a technical problem, due to the fact that as The detector uses a copolymer of tetrafluoroethylene and ethylene having the structural formula (CF ₂ -CF ₂ -CH ₂ -CH ₂ )n.

Claims

A method for dosimetry of photon and corpuscular ionizing radiation, including measuring the concentration of paramagnetic centers created by irradiation of a sensitive substance of a detector made in the form of a cylinder with ionizing radiation, by the method of electron paramagnetic resonance, characterized in that as sensitive substance The detector uses a copolymer of tetrafluoroethylene and ethylene having the structural formula (CF₂-CF₂-CH₂-CH₂)n, with a diameter of 5 mm and a height of 1 mm.