Разработка методов и средств воспроизведения поглощенной дозы в воде рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 15 до 250 кэВ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.15, кандидат наук Берлянд, Александр Владимирович

• Берлянд, Александр Владимирович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Берлянд, Александр Владимирович

Оглавление

Стр.

Введение

Глава 1. Анализ методов определения поглощенной дозы

рентгеновского излучения в воде

Глава 2. Воспроизведение единицы поглощенной дозы в графите

Глава 3. Воспроизведение единицы поглощенной дозы в графите с помощью экстраполяционной ионизационной камеры

Глава 4. Разработка методов и средств перехода от поглощенной

дозы в графите к поглощенной дозе в воде

Глава 5. Перспективы развития

л

Заключение

Библиография

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и средств воспроизведения поглощенной дозы в воде рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 15 до 250 кэВ»

Введение

Ионизирующее излучение, в том числе гамма-излучение радионуклидов, рентгеновское излучение, электронное и тормозное излучение ускорителей, нейтронное и протонное излучение широко применяются в различных сферах деятельности человека: в медицине для целей лучевой терапии и диагностики, в радиационной технологии, ядерной энергетике, научных исследованиях и т.п. Основными величинами, наиболее полно характеризующими степень воздействия всех видов ионизирующих излучений на объекты, являются поглощенная доза и величины, связанные с ней. Дозиметрические измерения в зависимости от сферы применения можно разделить следующим образом: измерения для целей контроля радиационной безопасности, измерения в области радиационных технологий и клиническая дозиметрия при лучевой терапии.

Поглощенная доза ионизирующего излучения £> - отношение средней энергии с1Е, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе ¿т вещества в этом объеме:

вЛ

¿т <!>

Единица измерения поглощенной дозы - грей (Гр).

Система обеспечения единства измерений поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений устанавливает допустимые пределы погрешности рабочих средств измерений (дозиметров) следующим образом: дозиметры контроля радиационной безопасности - имеют погрешность 15-30 %. Дозиметры, используемые в радиационной технологии, имеют погрешность 10-15 %. В лучевой терапии должны использоваться дозиметры с погрешностью не более 2-3 %. Это накладывает очень высокие требования к системе обеспечения единства измерений поглощенной дозы.

Таким образом, наивысшая точность дозиметрических измерений необхо-

- и 1 I 1

дима для целей лучевой терапии. „ • , > ■■ • ,•■■>, „

и > ^ *' * ' 1, < ч '

Лучевая терапия применяется для лечения онкологических заболеваний. Для того чтобы лечение прошло успешно, доза полученная пациентом, не должна отличаться от заданной более чем на 5 % [7, 17, 19, 27]. Если величина дозы, полученная пациентом, будет меньше необходимой, то часть злокачественных клеток не будет уничтожена. Если же доза, полученная пациентом, будет превышать заданную величину, то ионизирующее излучение нанесет вред здоровым тканям, тем самым усугубив состояние больного [78]. Зависимости вероятностей выживания здоровых клеток и уничтожения злокачественных при лучевой терапии от дозы облучения приведены на рисунке 1.

■ ■ ■ _ ——— ■ —■ \ ■ ^ \ i/^ \ V/i А1

II |\\ Погрешность

■ \\ определения

! Ч дозы облучения

Успех лечения л пациента D • \\ я

j Y\ должна быть

- 1 \ ч^ меньше 5% 1 \ N.

.... \ . 1 1 I ^___ Ii. 1 . 1

Доза

Рис. 1. Зависимости вероятностей выживания здоровых клеток и уничтожения

злокачественных от дозы облучения

Погрешность в 5 % включает в себя методическую составляющую, которая отвечает за точность позиционирования пациента и точность определения поглощенной дозы. Эта составляющая оценивается на уровне 3 %.

Основная задача в клинической дозиметрии - определение поглощенной дозы в воде. Выбор воды в качестве стандартного материала обусловлен тем, что ее радиационные свойства, характеризующиеся коэффициентами поглощения, рассеяния, тормозной способности и т.п. близки к таковым для биологической ткани в широком диапазоне энергий фотонного и электронного излучений; состав воды строго постоянен, ее легко получить везде в чистом виде; в литературе

накоплено много данных по дозным полям и дозным распределениям в воде.

В течение длительного времени, до появления эталонов поглощенной дозы, значение поглощенной дозы в воде в лечебных учреждениях получали с использованием дозиметров с ионизационными камерами, которые калибровались в единицах сначала экспозиционной дозы, а затем воздушной кермы. Цепочка перехода от кермы в воздухе к дозе в воде содержит много неопределенностей, обусловленных необходимостью использования ряда коэффициентов. Оценка по-

г

грешности, данная в рекомендациях МАГАТЭ ТЫ8-277 и ТКБ-З81 [39, 40], показала, что наибольший вклад в неопределенность результатов измерений возникает из-за введения большого числа поправочных коэффициентов, приводящего к стандартной неопределенности до 3-4 %. Более подробно данный метод будет описан в главе 1.

Существенным достижением в развитии системы обеспечения единства измерений можно считать разработку и выпуск методических указаний РД 50-69189 «Поглощенные дозы фотонного (1-50 МэВ) и электронного (5-50 МэВ) излучений в лучевой терапии». Этот документ был первым в мировой практике, кото-

«

рый регламентировал передачу размеров единиц поглощенной дозы в воде тера-** певтическим дозиметрам от эталона поглощенной дозы.

В настоящее время в России система обеспечения единства измерений поглощенной дозы фотонного и электронного излучения основывается на Государственном первичном эталоне единицы поглощенной дозы [1]. Он был создан во «ВНИИФТРИ» и утвержден в 1972 г. Затем в последующие годы были разработаны несколько рабочих эталонов:

- три эталона поглощенной дозы фотонного излучения в воде (один хранится и применяется во «ВНИИФТРИ», два - в поверочных лабораториях Минздрава

, в Москве в ФГБУ РНЦРР, и в С.-Петербурге в ФГБУ «Российский научный центр

радиологии и хирургических технологий» Минздрава России), обеспечивающих г поверку клинических дозиметров в поле гамма-излучения Со-60;

- эталон поглощенной дозы в стандартных материалах, обеспечивающий ' поверку дозиметров, используемых в радиационной технологии; • = , , " ^

- специальный эталон поглощенной дозы в тканеэквивалентном материале в диапазоне энергий рентгеновского излучения от 60 до 250 кэВ;

- военный эталон поглощенной дозы фотонного излучения.

В 1983 г. была проведена модернизация эталона поглощенной дозы фотонного излучения. За последующие годы в лучевой терапии широкое распространение получило использование ускорителей электронов, генерирующих как электронное, так и тормозное излучение. Соответственно появились дозиметры, предназначенные для измерения поглощенных доз этих видов излучения. В соответствии с необходимостью поверки дозиметров высокоэнергетического фотонного и электронного излучений во «ВНИИФТРИ» был смонтирован и запущен ускоритель электронов - микротрон, позволяющий получать пучки электронного и тормозного излучений. Был разработан новый комплекс аппаратуры, который в 1995 г. был утвержден в качестве Государственного первичного эталона поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений (ТЭТ 38-95). Этот эталон обеспечивал воспроизведение единицы поглощенной дозы фотонного и электронного излучений в диапазоне энергий от 0,6 до 50 МэВ. Указанный диапазон удовлетворяет потребностям клинической дозиметрии для целей лучевой терапии с использованием гамма-аппаратов с радионуклидным источником Со-60, ускорителей электронов (электронное и высокоэнергетическое тормозное излучение). Но он не охватывает область низкоэнергетического фотонного излучения, где применяются рентгеновские аппараты (длиннофокусная и короткофокусная терапия).

Анализ медицинской статистики [5] показывает, что число состоящих на учете в онкологических учреждениях составляет примерно 3 млн. человек по состоянию на 2012 г. Распространенность злокачественных новообразований составляет 1969 на 100 000 населения. За 2010г. в России выявлено 516 874 новых случая злокачественных заболеваний. Среди них женщины составляли 54 %, а мужчины 46 %. Число заболевших с 2000 года возросло более чем на 15 %. Анализ структуры заболеваемости показывает, что наиболее распространенным является рак кожи (14 %). В структуре смертности онкологические заболевания зани-

мают второе место (14,3 %) после заболеваний сердечнососудистой системы (56,8 %).

Основным методом лечения поверхностных и около поверхностных онкологических заболеваний является лучевая терапия рентгеновским излучением в области энергий менее 250 кэВ.

В 2000 г. были выпущены Международные практические рекомендации по определению поглощенной дозы при дистанционной лучевой терапии, основанные на эталонах поглощенной дозы IAEA TRS-398 [41]. В этом документе отмечается, что к настоящему времени накоплен очень небольшой опыт в области первичных эталонов единицы поглощенной дозы низкоэнергетического рентгеновского излучения. Неопределённость значения чувствительности ионизационных камер, полученная с помощью первичного эталона, оценивается в 1 %. Если калибровочный коэффициент в единицах поглощенной дозы в воде рассчитывается с использованием эталона кермы в воздухе, неопределённость этого коэффициента оценивается в 3 % и дает наибольший вклад в суммарную неопределённость значения поглощенной дозы.

В последние годы появилось много новых высокоточных дозиметров для использования в лучевой терапии, в том числе отечественный прибор ДКС-101 (Политехформ-М), дозиметр ДКС-АТ 5350 (Atomtex), DOSE-1 (IBA Dosimetry), Unidos (PTW), Supermax (Standard Imaging) и ряд других дозиметров. Выпуск новых высокоточных средств измерений поглощенной дозы явился ответом на запросы практики. Современные технологии в лучевой терапии, например, средства диагностики для определения объема мишени, 3D системы планирования и новейшие ускорители электронов, рентгеновские аппараты и гамма-установки новых моделей могут применяться эффективно, только если доза определяется и передается пациенту с высокой точностью.

Необходимость усовершенствования ГЭТ 38-95 была обусловлена следующими факторами:

- требованиями обеспечения высокой точности измерения доз при широко распространенной терапии с использованием рентгеновского излучения с эффек-

тивной энергией спектра от 15 кэВ и выше,

- появлением большого числа дозиметрических приборов высокой точности для измерения гамма, рентгеновского и электронного излучений,

- использованием в медицине современной рентгеновской аппаратуры для терапии и диагностики.

Для проведения абсолютных измерений поглощенных доз в лучевой терапии применяются исключительно дозиметры с ионизационными камерами [20, 76]. В соответствии с Международными практическими рекомендациями 1АЕА ТЯ8-398 «Определение поглощенной дозы при дистанционной лучевой терапии» [41] рентгеновское излучение в зависимости от энергии делится на две группы:

- рентгеновское излучение низкой энергии при напряжении генерирования до 100 кВ (эффективная энергия спектра менее 50 кэВ) и СПО (слое половинного ослабления) до 3 мм А1;

- рентгеновское излучение средней энергии при напряжении генерирования выше 80 кВ (эффективная энергия спектра более 40 кэВ) и СПО (слое половинного ослабления) от 2 мм А1. Эти группы перекрываются по энергии в интервале напряжения генерирования от 80 до 100 кВ. Такое деление диапазона энергий отражает два направления лучевой терапии - поверхностное и глубинное.

Ионизационные камеры для измерения низкоэнергетического рентгеновского излучения должны быть плоскопараллельного типа и калиброваться на поверхности полностью рассеивающего фантома [42]. При использовании окно камеры устанавливается на одном уровне с поверхностью фантома.

Ионизационные камеры для измерения рентгеновского излучения средней энергии должны быть наперсткового (цилиндрического) типа и калиброваться в

Л

водном фантоме на глубине 2 г/см (произведение расстояния от точки измерения до поверхности на плотность материала). В области перекрытия энергетических диапазонов могут применяться оба типа ионизационных камер.

Цель работы:

Расширение энергетического диапазона фотонного излучения Государственного первичного эталона поглощенной дозы фотонного и электронного излучений ГЭТ38-95 в область низких энергий от 15 до 250 кэВ с целью обеспечения требуемого уровня точности измерений поглощенной дозы в клинической дозиметрии рентгеновского излучения.

Предмет исследований:

Методы и средства воспроизведения и передачи единицы поглощенной дозы в воде рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 15 до 250 кэВ.

Объект исследований:

Дозиметрия рентгеновского излучения в энергетическом диапазоне от 15 до 250 кэВ.

Основная научная задача:

Разработка методов и средств воспроизведения единицы поглощенной дозы в графите и перехода от поглощенной дозы в графите к поглощенной дозе в воде рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 15 до 250 кэВ.

Частные научные задачи:

1) Создание калориметров, позволяющих воспроизводить единицу поглощенной дозы рентгеновского излучения в графите в диапазонах энергий от 15 до 50 кэВ и от 50 до 250 кэВ.

2) Разработка методов и средств обеспечения адиабатических условий в калориметрах, систем калибровки калориметров и оптимизация отношения сигнал - шум электрического сигнала калориметра.

3) Анализ составляющих неисключенной систематической погрешности (НСП) воспроизведения единицы поглощенной дозы. Определение поправок к значению поглощенной дозы, обусловленных наличием вакуумных зазоров в конструкции калориметров и тепловыми потерями.

4) Определение значения эффективной массы поглотителя калориметра с учетом энергетического спектра рентгеновского излучения.

5) Разработка методов и средств, позволяющих перейти от дозы на глубине графитового фантома к дозе на поверхности.

6) Разработка методов определения отношений массовых коэффициентов поглощения энергии для графита и воды для спектров рентгеновского излучения, используемых в лучевой терапии.

7) Разработка методов и средств перехода от поглощенной дозы в графите к дозе в воде в глубине водного фантома и на поверхности водного фантома.

8) Анализ составляющих неопределенности определения поглощенной дозы в воде рентгеновского излучения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1) Разработанный аппаратурно-методический комплекс, основанный на применении нового материала «графлекс» в калориметре, с компьютеризированной системой управления, измерения, сбора и обработки данных, обеспечивает воспроизведение единицы поглощенной дозы рентгеновского излучения в графите в диапазонах энергий от 15 до 50 кэВ с НСП 0,63 %, СКО 0,2 % и от 50 до 250 кэВ с НСП 0,35 %, СКО 0,2 %.

2) Разработанная графитовая экстраполяционная ионизационная камера в графитовом фантоме, позволяет определять значение поглощенной дозы на поверхности графитового фантома с использованием данных измерений поглощенной дозы на глубине фантома с помощью калориметра и воспроизводить единицу поглощенной дозы рентгеновского излучения в графите в диапазоне энергий от 15 до 250 кэВ с НСП 1,5 %, СКО 0,1 %.

3) Разработанная совокупность методов и средств измерений, а так же полученные зависимости поправочных коэффициентов от энергии излучения, позволяют осуществить переход от поглощенной дозы в графите к поглощенной дозе в воде и получить значение поглощенной дозы рентгеновского излучения в воде в диапазоне энергий от 15 до 50 кэВ с расширенной неопределенностью, не превышающей 2,5 % (К = 2) и от 50 до 250 кэВ с расширенной неопределенностью, не превышающей 1,8 % (К = 2).

4) Созданные средства измерений позволяют определять поглощенную дозу в воде протонного излучения косвенным методом в диапазоне энергий протонов 50-400 МэВ с расширенной неопределенностью не превышающей 3 % (К=2).

Научная новизна:

1) На основе предложенного применения нового материала «графлекс» (графитовая фольга 0,12 мм чистоты 99,99) и исследования энергетического спектра рентгеновского излучения, позволившего определить эффективную массу калориметра и значения массовых коэффициентов поглощения энергии, впервые создан аппаратурный комплекс, позволяющий воспроизводить единицу поглощенной дозы фотонного излучения в диапазоне энергий от 15 до 250 кэВ.

2) Разработана графитовая экстраполяционная ионизационная камера в графитовом фантоме с входным окном из «графлекса». Использование экстрапо-ляционной ионизационной камеры для определения поглощенной дозы на поверхности графитового фантома позволяет учесть нарушение электронного равновесия на границе графит-воздух, обусловленное вкладом в ионизацию Оже-электронов, имеющим пробег в воздухе 0,2 мм.

3) Разработаны методы перехода от поглощенной дозы в графите к дозе в воде в точках на поверхности и глубине водного фантома, учитывающие спектральное распределение рентгеновского излучения.

Практическая значимость:

1) Обеспечено воспроизведение единицы поглощенной дозы рентгеновского излучения в графите в диапазоне энергий от 15 до 250 кэВ.

2) Разработанные калориметры позволяют проводить измерениями в диапазоне энергий рентгеновского излучения и в поле излучения радионуклида 60Со, что в свою очередь обеспечивает подтверждение точности воспроизведения единицы на уровне международных ключевых сличений.

3) Реализованы методы, позволяющие осуществлять передачу единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы в воде клиническим дозиметрам для рентгеновского излучения с необходимой для качественного лечения пациентов точностью

4) Получена возможность проводить испытания новых средств измерений в диапазоне энергий рентгеновского излучения, проводить поверку и калибровку высокоточных дозиметров.

5) Обеспечена возможность определения поглощенной дозы и флюенса протонного излучения для целей лучевой терапии и проведения испытаний аппаратуры на радиационную стойкость.

Внедрение:

Разработанные средства измерений были рассмотрены Межведомственной комиссией и включены в состав Государственного первичного эталона единицы поглощенной дозы фотонного и электронного излучения ГЭТ 38-2011. Это позволило расширить энергетический диапазон воспроизведения единицы поглощенной дозы в область рентгеновского излучения (от 15 до 250 кэВ).

Личный вклад автора:

Вся работа, изложенная в диссертации, выполнена автором лично.

Степень достоверности результатов работы

Достоверность результатов выполненной работы подтверждается следующим:

1) Актом «Государственных испытаний Государственного первичного эталона единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений ГЭТ 38-2011», составленным Межведомственной комиссией. См. приложение № 2.

2) Результатами сличений разработанных калориметров с калориметром, входящим в состав Государственного первичного эталона поглощенной дозы ГЭТ 3895 в поле гамма-излучения Со-60. Метрологические характеристики Государственного первичного эталона ГЭТ 38-95 подтверждены результатами ключевых сличений, проведенных в ВЕРМ [11].

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались на 4-й конференции по метрологическому обеспечению измерений в Росатоме (Сочи, 2010 г.), на конференциях молодых специалистов ФГУП "ВНИИФТРИ" (2012, 2013 г).

Основные положения работы отражены в 4научных статьях в журналах «Измерительная техника», «Metrología», «АНРИ», «Приборы и техника эксперимента».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения по результатам диссертационной работы, библиографического списка, состоящего из 79 наименований. В приложении к диссертации представлены:

- Акт «Государственных испытаний Государственного первичного эталона единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений ГЭТ 38-2011», составленный Межведомственной комиссией,

- Приказ № 294 Росстандарта «Об утверждении Государственного первичного эталона единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений».

Глава 1. Анализ методов определения поглощенной дозы рентгеновского

излучения в воде

Определить поглощенную дозу рентгеновского излучения в воде можно тремя основными способами: осуществляя переход от измерений воздушной кер-мы к поглощенной дозе в воде [23, 46, 59, 62, 72, 75], с помощью водного калориметра и путем перехода от поглощенной дозы в графите, полученной с помощью графитового калориметра, к поглощенной дозе в воде.

1.1. Переход от воздушной кермы к поглощенной дозе в воде.

Керма (kerma) - это аббревиатура от английского выражения kinetic energy released per unit mass. Эта величина определяется как сумма начальных кинетических энергий всех заряженных частиц, освобождённых незаряженным ионизирующим излучением в веществе, отнесённая к его массе.

Для определения поглощенной дозы в воде путем перехода от измерений кермы в воздухе используют ионизационные камеры, калиброванные в поле рентгеновского излучения в единицах воздушной кермы Квозд (Гр). Характеристики поля излучения соответствуют используемым на практике. Поле излучения должно равномерно покрывать площадь чувствительного объема камеры. Ионизационная камера устанавливается таким образом, чтобы точка измерения совпадала с

центром воздушной полости. Коэффициент калибровки N^ определяется из следующего соотношения:

Щ = ~г ' (1Л)

где I - показания ионизационной камеры с учетом поправок на изменение давления и температуры относительно стандартных условий, эффект полярности и рекомбинацию ионов, А.

Полученный таким образом коэффициент калибровки соответствует опре-

деленному качеству пучка рентгеновского излучения.

При напряжении на трубке рентгеновского аппарата менее 80 кВ измерения должны проводиться в воздухе. В таком случае необходимо вводить поправочный коэффициент, учитывающий обратное рассеяние излучения от водного фантома. При напряжениях более 80 кВ измерения необходимо определить поглощенную дозу в воде в фантоме на глубине 2 г/см . При измерениях в водном фантоме необходимо учитывать эффект замещения материала ионизационной камерой.

В случае измерений в воздухе, значение мощности поглощенной дозы в воде в точке, соответствующей поверхности водного фантома, может быть выражена следующим образом:

где I- показания ионизационной камеры, А;

N¡1 - калибровочный коэффициент ионизационной камеры для определенного качества пучка рентгеновского излучения, Гр/К;

Д. - коэффициент, учитывающий обратное рассеяние рентгеновского излуче-

ния от водного фантома;

Рст,в ~ коэффициент, учитывающий искажение флюенса рентгеновского излучения корпусом ионизационной камеры, находящегося в поле излучения;

«^М ) - отношение массовых коэффициентов поглощения энергии р ;возд)возд

воды и воздуха, усредненное по спектру рентгеновского излучения для воздуха.

Для получения мощности поглощенной дозы в воде ионизационная камера помещается в водный фантом на глубину 2 см. В таком случае поглощенная доза будет равна:

(1.2)

Г'

(1.3)

где / - показания ионизационной камеры с учетом отклонения температуры и давления от нормальных условий и возможной рекомбинации ионов, А; Л^ - коэффициент калибровки камеры, Гр/К;

Рик - коэффициент, учитывающий возмущения флюенса фотонов за счет замещения воды ионизационной камерой и искажения поля излучения стержнем корпуса камеры;

Рд - коэффициент, учитывающий поглощение и рассеяние излучения в водонепроницаемом держателе камеры;

(О/Г) ) ~~ отношение массовых коэффициентов поглощения энергии воды и

воздуха, усредненное по спектру рентгеновского излучения для воды.

Составляющие неопределенности метода определения поглощенной дозы в воде с помощью перехода от воздушной кермы [51] приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Составляющие неопределенности метода определения поглощенной дозы в воде путем перехода от измерений кермы.

Источники неопределенности Значение неопределенности, %

Метод измерений в воздухе

Определение А^ 0,7

Разница между полем излучения при калибровке и измерении 2,0

Вв - коэффициент обратного рассеяния 1,5

Р 1,0

((-У) \\ Р /возд/возд 1,5

Продолжение таблицы 1.1.

Источники неопределенности Значение неопределенности, %

Измерения в воздухе в пучке пользователя 1,5

Комбинированная неопределенность для дозы на поверхности 3,5

Переход к дозе в воде на поверхности фантома 1,0

Суммарная неопределенность для дозы на поверхности 3,6

Определение дозы на других глубинах в воде 3,0

Суммарная неопределенность 4,7

Метод измерений в фантоме

Определение Ик 0,7

Разница между полем излучения при калибровке и измерении 2,0

р 1 ик 1,5

Рь 0,5

((-У) \Л ^ ' ВОЗД/„ 1,5

Измерения в воде в пучке пользователя 2,0

Суммарная неопределенность для дозы на глубине фантома 3,6

Определение дозы на других глубинах в воде 3,0

Суммарная неопределенность 4,7

1.2. Водный калориметр

Измерение поглощенной дозы в воде с помощью водного калориметра — метод наиболее близкий к определению этой величины [29, 32, 33, 74]. Водный калориметр используется в нескольких странах в составе эталона поглощенной дозы в воде в области энергии излучения Со-60. В области энергий рентгеновского излучения от 40 до 150 кэВ водный калориметр применяется в Германии (Physikalisch-Technische Bundesanstalt (РТВ)).

Поглощённая доза в воде De, измеряемая с помощью водного калориметра, определяется путем измерений повышения температуры воды под действием ионизирующего излучения (АТ) и может быть выражена следующим уравнением:

D^AT-Cp-fl-h)'1 -кс'кр-кг-кт , (1.4)

где ср - удельная теплоемкость воды, Дж/кг-К; h - тепловой дефект воды;

кс - поправочный коэффициент, учитывающий распределение тепла в калориметре, возникающее во время и после облучения;

кр - поправочный коэффициент, учитывающий искажение поля излучения составными частями калориметра;

кг - поправочный коэффициент, учитывающий радиальное распределение дозы;

кт - поправочный коэффициент, применяемы в том случае, если рабочая температура воды калориметра отличается от температуры воды, при которой калибруется ионизационная камера.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Берлянд, Александр Владимирович, 2014 год

Библиография

1. Берлянд, A.B. Государственный первичный эталон единиц мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений, его совершенствование и результаты ключевых сличений / A.B. Берлянд, В.А. Берлянд, Ю.И. Брегадзе // Измерительная техника. - Москва: Стандартинформ, 2010. - №2.

- с. 3.

2. Берлянд, A.B. Воспроизведение мощности поглощенной дозы фотонного излучения в графите с помощью графитовой экстраполяционной камеры в графитовом фантоме / A.B. Берлянд, В.А. Берлянд // Анри. - Москва: Доза, 2014. — №1. — с.56.

3. Балдин, С.А. Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами / С.А.Балдин, H.A. Вартанов, Ю.В. Ерыхайлов - Москва: «Атомиз-дат», 1974.

4. ГОСТ 8.203—76 Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений поглощенной дозы рентгеновского излучения с максимальной энергией фотонов от 3 до 9 фДж (от 20 до 60 кэВ).

- Москва: Изд. стандартов, 1977. - 8 с.

5. Здравоохранение в России 2013: статистический сборник. - Москва: — Рос-стат, 2013.

6. Себекин, А.П. Создание и исследование специального эталона единицы поглощенной дозы рентгеновского излучения с максимальной энергией фотонов от 3 до 9 фДж (от 20 до 60 кэВ): дис. ...конд. тех. наук: 05.11.15 / Себекин Алексей Петрович. Ленинград, 1980. - 194 с.

7. Ставицкий, Р.В. Аспекты клинической дозиметрии / Р.В. Ставицкий. - Москва: МНПИ, 2000.

8. Столярова, Е.Л. Прикладная спектрометрия ионизирующих излучений / Е.Л. Столярова. — Москва: «Атомиздат», 1964.

9. Титаренко, Ю.Е. Токовый измеритель плотности потока частиц в режиме реального времени / Ю.Е. Титаренко, В.Ф. Батяев, С.П. Боровлев, В.И. Рогов, К В. Павлов, А.Ю. Титаренко, P.C. Тихонов, С.А. Феофанов, С.Н. Юл-дашев, B.C. Анашин, В.А. Берлянд, А. В. Берлянд // Приборы и техника эксперимента. - Москва: Наука, 2013. - № 5.

10.AlDehaybes, М. Development of graphite calorimeters as primary standards for absorbed dose to water measurements for 192Ir HDR source and IMRT: dis. .. .Masters in Physics / Maria AlDehaybes. - Surrey, 2012.

11. Allisy-Roberts, P. J. Comparison of the standards for absorbed dose to water of the VNIIFTRI, Russia and the BIPM in 60Co y-rays / P J Allisy-Roberts, С Kessler, D T Burns, V Berlyand, A Berlyand // Metrología. - 2010. - № 47.

12.Andreo, P. On the uncertainties of photon mass energy-absorption coefficients and their ratios for radiation dosimetry / P. Andreo, D. T. Burns, F. Salvat // Phys. Med. Biol.-2012.-№57.

13.Attix, F. H. Energy-absorption coefficients for y-rays in compounds or mixtures / F. H. Attix // Phys. Med. Biol. - 1984. - Vol. 29, № 7.

14.Bailey, M The NPL Practical Course in Reference Dosimetry / M. Bailey, G. Bass, et al. - Teddington: NPL, 2010.

15. Berlyand, V.A. Calorimeters for absorbed dose standards or reference dosimeters for radiotherapy: comparisons with other methods / V.A. Berlyand,Yu.I. Bregadze, P.F. Maslyaev // NPL Calorimetry Workshop. - United Kingdom, 1994.

16. Böhm, J. Review of extrapolation chamber measurements of beta rays and low energy x-rays / J. Böhm, U. Schneider // Radiat Prot Dosimetry. - 1986. - Vol. 14, № 2.

17. Booth, J. T. Modeling the impact of treatment uncertainties in radiotherapy: thesis. .. .Ph.D / Jeremy T. Booth. - Adelaide, 2002.

18.Boutillon, M. Re-evaluation of the W for electrons in dry air // M. Boutillon, A.M. Perroche-Roux // Phys. Med. Biol. - 1987. - № 32

19. Brahme, A. Dosimetric precision requirements in radiation therapy / A. Brahme // Acta Radiologica Oncology. - 1984. - № 23.

20. Brede, H. J. Absorbed dose to water determination with ionization chamber dosimetry and calorimetry in restricted neutron, photon, proton and heavy-ion radiation fields / H. J. Brede, K-D. Greif, O. Hecker, P. Heeg, J. Heese, D. T. L. Jones, H. Kluge, D. Schardt // Phys. Med. Biol. - 2006. -№51.

21. Buermann, L. Measurement of the x-ray mass energy-absorption coefficient of air using 3 keV to 10 keV synchrotron radiation / L. Buermann, B. Grosswendt, H-M. Kramer, H-J. Selbach, M Gerlach, M. Hoffmann, M. Krumrey // Phys. Med. Biol.-2006.-№51.

22. Buhr, H. Measurement of the mass energy-absorption coefficient of air for x-rays in the range from 3 to 60 keV / H. Buhr, L. Buermann, M. Gerlach, M. Krumrey, H. Rabus // Phys. Med. Biol. - 2012. - № 57.

23. Burns, D. T. Re-evaluation of the BIPM international standards for air kerma in x-rays / D. T. Burns, C. Kessler, P. J. Allisy // Metrologia. - 2009. - № 46.

24.CCEMRI(I) Effect of a change of stopping-power values on the w values recommended by ICRU for electrons in dry air: Report. - Paris: BIPM, 1985.

25. Chica, U. Study of the formalism used to determine the absorbed dose for low-energy x-ray beams / U. Chica, M. Anguiano, A. M. Lallena // Phys. Med. Biol. -2008.-№53.

26. Construction of an absorbed dose graphite calorimeter: Rapport BIPM-09/01 / S. Picard, D. T. Burns, P. Roger. - Paris: BIPM, 2009.

27. Curtin-Savard, A. Dose delivery uncertainty in photon beam radiotherapy: thesis. .. .master of sciennce / Arthur Curtin-Savard. - Montréal, 1995.

28. Daures, J New constant-temperature operating mode for graphite calorimeter at LNE-LNHB / J Daures, A Ostrowsky // Phys. Med. Biol. - 2005. - № 50.

29. de Prez, L. A. The new NMI orthovolt x-rays absorbed dose to water primary standard based on water calorimetry / L. A. de Prez, J. A. de Pooter // Phys. Med. Biol.-2008.-№53.

30. Dellow, E Dose determination at kV x-ray qualities using different protocols: dis. .. .Master of Science / Elias Dellow. - Lund, 2008.

31. Domen, S. R. Advances in calorimetry for radiation dosimetry / S. R. Domen // The dosimetry of ionizing radiation. - 1987. - Vol II.

32. Domen, S. R. An absorbed dose water calorimeter: Theory, Design, and Performance / Steve R. Domen // Journal of research of the National Bureau of Standards. - 1982.-Vol. 87, №3.

33. Domen, S. R. A sealed water calorimeter for measuring absorbed dose / S. R. Domen // J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. - 1994. - Vol. 99, № 2.

34. Feasibility of graphite calorimetry in a modulated low-energy clinical proton beam: workshop on recent advances in absorbed dose standards / H. Palmans, R. Thomas, M. Simon, S. Duane, A. Kacperekb, J. Secoc, R. Nutbrowna, D. Shipleya, A. DuSautoya, F. Verhaegend - Melbourne: ARPANSA, 2003.

35. Gagnebin, S. E. Experimental determination of absorbed dose to water in a scanned proton beam using a water calorimeter and an ionization chamber: dis. .. .Ph.D. / Solange Estelle Gagnebin. - Zurich, 2010.

36. Gallardo, S. Application of unfolding techniques to obtain an x-ray primary spectrum / S. Gallardo, G. Verdu, J. Rodenas, J. I. Villaescusa // 11th International Congress of the International Radiation Protection Association. - 2004.

37. Hermann, K-P. Polyethylene-based water-equivalent phantom material for x-ray dosimetry at tube voltages from 10 to 100 kV / K-P. Hermann, L. Geworski, M. Muth, D. Harder // Phys. Med. Biol. - 1985. - Vol. 30, № 11.

38. Hill, R. A dosimetric evaluation of water equivalent phantoms for kilovoltage x-ray beams / R. Hill, L. Holloway, C. Baldock // Phys. Med. Biol. - 2005. - № 50.

39.IAEA TRS-277 Absorbed dose determination in photon and electron beams: An international code of practice: Technical report. - Vienna: International Atomic Energy Agency, 1987.

40.IAEA TRS-381 The use of plane parallel ionization chambers in high energy electron and photon beams: An international code of practice for dosimetry: Technical report. - Vienna: International Atomic Energy Agency, 1997.

41. IAEA TRS-398 Absorbed dose determination in external beam radiotherapy: an international code of practice for dosimetry based on standards of absorbed dose to water: Technical report. - Vienna: International Atomic Energy Agency, 2000.

42. IAEA TRS-469 Calibration of reference dosimeters for external beam radiotherapy: Technical report. - Vienna: International Atomic Energy Agency, 2009.

43.ICRU Radiation dosimetry: x-rays and gamma-rays with maximum energies between 0,6 MeV and 50 MeV: Report № 14. - Washington: ICRU, 1969.

44.ICRU Stopping Powers for Electrons and Positrons: Report № 37. — Bethesda, MD: ICRU, 1984.

45. Ionita, C-E. Two-dimensional modeling of thermal gradients in the core of a primary standard vacuum graphite calorimeter, in a square-folded geometry / CE. Ionita, D. Radu // Rom. Journ. Phys. - 2013. - Vol. 58.

46. Ipe, N. E. Air kerma calibration factors and kCh values for PTW soft X-ray, NACP and roos ionization chambers at very low x-ray energies (0.035 mm - 1.0 mm A1 HVL) / N. E. Ipe, K. E. Rosser, C. J. Moretti, J. W. Manning, M. J. Palmer // Phys. Med. Biol. - 2001. - № 46.

47. Jette, D. Creating a spread-out Bragg peak in proton beams / D. Jette, W. Chen // Phys. Med. Biol. - 2011. - № 56.

48. Krauss, A. Calorimetric determination of the absorbed dose to water for medium-energy x-rays with generating voltages from 70 to 280 kV / A. Krauss L. Buermann, H-M. Kramer and H-J. Selbach // Phys. Med. Biol. - 2012. - № 57.

49. Krauss, A. The PTB water calorimeter for the absolute determination of absorbed dose to water in 6OC0 radiation / A. Krauss // Metrología. - 2006. - № 43.

50. Loevinger, R. Absorbed dose determination for x-rays in the grenz-ray region (5 to 20 keV quantum energy) / R. Loevinger, S. S. Yaniv // Phys. Med. Biol. -1965.-Vol.10.-№2.

51. Ma, C.-M. AAPM protocol for 40-300 kV x-ray beam dosimetry in radiotherapy and radiobiology / C.-M. Ma, C. W. Coffey, L. A. DeWerd, C. Liu, R. Nath, S. M. Seltzer, J. P. Seuntjens // Med. Phys. - 2001. - № 28.

52. Ma, C-M. Dose specification for radiation therapy: dose to water or dose to medium? / C-M. Ma, J. Li // Phys. Med. Biol. - 2011. - № 56.

53. Matscheko, G. A Compton scattering spectrometer for determining x-ray photon energy spectra / G. Matscheko, R. Ribberfors // Phys. Med. Biol. - 1987. - Vol. 32, № 5.

54. Matscheko, G. A generalised algorithm for spectral reconstruction in Compton spectroscopy with corrections for coherent scattering / G. Matscheko, R. Ribberfors // Phys. Med. Biol. - 1989. - № 34.

55. Measurement of the specific heat capacity of graphite: Rapport BIPM-2006/01 / S. Picard, D. T. Burns, P. Roger. - Paris: BIPM, 2006.

56. Measuring conditions and uncertainties for the comparison and calibration of national dosimetric standards at the BIPM: Rapport BIPM-2011/04 / P.J. Allisy-Roberts, D.T. Burns, C. Kessler. - Paris: BIPM, 2009.

57. Munck af Rosenschold, P. Kilovoltage x-ray dosimetry — an experimental comparison between different dosimetry protocols / Per Munck af Rosenschold, Per Nilsson, Tommy Knoos // Phys. Med. Biol. - 2008. - № 53.

58.Niatel, M.T. Two determinations of W for electrons in dry air / M.T. Niatel, A.M. Perroche-Roux, M. Boutillon // Phys. Med. Biol. - 1985. - № 30.

59. O'Brien, M. Comparison of the NIST and NPL air kerma standards used for x-ray measurements between 10 kV and 80 kV / M. O'Brien, P. Lamperti, T. Williams, T. Sander // Journal of Research of the NIST. - 2000. - Vol. 105, № 5.

60. Owen, B. Correction for the effect of the gaps around the core of an absorbed dose graphite calorimeter in high energy photon radiation / B. Owen, A. R. DuSautoy // Phys. Med. Biol. - 1991. - № 36.

61. Paganetti, H. Dose to water versus dose to medium in proton beam therapy / H. Paganetti // Phys. Med. Biol. - 2009. - № 54.

62. Palmans, H. Absorbed dose to water based dosimetry versus air kerma based dosimetry for high-energy photon beams: an experimental study / H. Palmans, L. Nafaa, J. De Jans, S. Gillis, M.-T. Hoornaert, C. Martens, M. Piessens, H. Thierens, A. Van der Plaetsen, S. Vynckier // Phys. Med. Biol. - 2002. - № 47.

63. Palmans, H. A small-body portable graphite calorimeter for dosimetry in low-energy clinical proton beams / H. Palmans, R. Thomas, M. Simon, S. Duane, A. Kacperek, A. DuSautoy, F Verhaegen // Phys. Med. Biol. - 2004. - № 49.

64. Panta, P.P. Thermal defects of water, graphite and polystyrene affecting calori-metric response / P.P. Panta, Z.P. Zagorski, W.J. Gluszewski // Radiation technology for conservation of the environment. Proceedings of a symposium. -1998.

65. Picard, S. Determination of the specific heat capacity of a graphite sample using absolute and differential methods / S. Picard, D.T. Burns, P. Roger // Metrologia. -2007.-№44.

66. Pruitt, J.S The graphite calorimeter as a standard of absorbed dose for cobalt-60 gamma radiation /J.S. Pruitt, , S.R. Domen, R. Loevinger // Journal of Research of the National Bureau of Standards. - 1981. - Vol. 86. - № 5.

67. Querol, A. Application of the Tikhonov unfolding method for reconstruction of primary x-ray spectra from x-ray equipments / A. Querol, S. Gallardo, J. Rodenas, G. Verdu // Nuclear science and technology. - 2011. — Vol. 2.

68. Radiation Oncology Physics: A handbook for teachers and students / E.B. Podgorsak et al. - Viena: IAEA, 2005.

69. Ravichandran, R. Extrapolation chamber mounted on perspex for calibration of high energy photon and electron beams from a clinical linear accelerator / R. Ravichandran, J. P. Binukumar, C. A. Davis // J Med Phys. - 2009. - № 34.

70. Redus, R. Characterization of CdTe detectors for quantitative x-ray spectroscopy / R. Redus, J. Pantazis, T. Pantazis, A. Huber, B. Cross // IEEE Trans. Nucl. Sci. - 2009. - Vol. 56.

71. Schneider, T. A method to determine the water kerma in a phantom for x-rays with energies up to 40 keV / Thorsten Schneider // Metrologia. - 2009. - № 46.

72. Schneider, T. Towards a determination of the absorbed dose to water in water for low-energy photon-emitting brachytherapy seeds / T. Schneider, B. Lange and HJ. Selbach // Metrologia . - 2007. - №44.

73. Schulz, RJ. The direct determination of dose-to-water using a water calorimeter / RJ. Schulz, C.S. Wuu, M.S. Weinhous// Med. Phys. - 1987. -№14.

74. Selbach, H-J. Realization of reference air-kerma rate for low-energy photon sources / H-J. Selbach, H-M. Kramer, W. S. Culberson // Metrologia. - 2008. -№45.

75. Seuntjens, J. Determination of absorbed dose to water with ionization chambers calibrated in free air for medium-energy x-rays / J. Seuntjens, H. Thierens, A. Van der Plaetsen, O. Segaert // Phys. Med. Biol. - 1988. - Vol. 33, № 10.

76. Seuntjens, J. Photon absorbed dose standards / J. Seuntjens, S. Duane // Metrologia. - 2009. - № 46.

77. Standards, applications and quality assurance in medical radiation dosimetry (IDOS) Proceedings of an International Symposium held in Vienna, Austria 9-12 November 2010 (2 volumes). - Vienna: IAEA, 2011.

78. Straelens, L. Characterization of the scattered radiation field around an x-ray tube / L. Straelens, K. Kauwenberghs, F. Vanhavere // Phys. Med. Biol. — 2011.— №56.

79. Towards the general application of water calorimetry as absorbed dose standardfor radiotherapy dosimetry / A. Krauss, M. Bambynek, H.-J. Selbach. -Braunschweig PTB: Physikalisch-Technische Bundesanstalt.