Аппаратурные и методические особенности измерений цезия-137 в организме человека

Аппаратурные и методические особенности измерений цезия-137

в организме человека

Кайдановский Г.Н., Яковлев В.А.

ФГУН «Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт радиационной гигиены им. профессора П.В. Рамзаева» Роспотребнадзора, Санкт-Петербург

Рассмотрено влияние вариации величин градуировочного коэффициента и коэффициента экранирования фона на результат расчета содержания цезия-137 в организме человека по данным СИЧ-измерений, особенно в отдаленный период после аварии. Проведено сравнение результатов измерений содержания цезия с помощью различных приборов. Сделан вывод, что по мере уменьшения содержания цезия-137 в организме людей, становится нецелесообразным применение упрощенных переносных СИЧ, а следует использовать СИЧ с теневой защитой, преимущественно стационарные.

Введение

Счетчики (спектрометры) излучения человека (СИЧ) в зависимости от их характеристик принято разделять на три типа. К первому - относятся стационарные экспертные СИЧ, имеющие несколько детекторов, размещенных в многотонных защитных камерах, и позволяющие производить высокочувствительные измерения с анализом радионуклидного состава и пространственного распределения инкорпорированной активности в организме человека. Ко второму - относятся СИЧ, имеющие один, реже два детектора, снабженных экранами-коллиматорами, и теневую защиту (как правило, в виде кресла) весом 200^300 кг. Такие СИЧ предназначены для измерений содержания радионуклидов в организме персонала в производственных условиях и населения при радиационной аварии. Они могут размещаться стационарно или монтироваться на транспортных средствах. К третьему типу относятся переносные СИЧ, имеющие один детектор без защиты и позволяющие проводить массовые измерения содержания радионуклидов в организме человека после радиационной аварии [3].

После аварии на ЧАЭС сотрудники института включились в работу по получению информации о радиационной обстановке на загрязненных территориях России, включая оценку доз внутреннего облучения по результатам измерений содержания радионуклидов в людях с помощью СИЧ.

При оценке доз внутреннего облучения населения, проживающего на территориях, загрязненных в результате радиационной аварии, первостепенным является вопрос о точности и достоверности СИЧ-измерений. Как точность, так и достоверность таких измерений зависят от типа применяемого СИЧ и метода (алгоритма) обработки первичной измерительной информации. Последнее особенно важно при проведении измерений непосредственно на загрязненных территориях, когда в спектре фона присутствует излучение радионуклидов, выпавших на территорию в результате аварии.

В первые годы после аварии на ЧАЭС аппаратуры, специально предназначенной для контроля внутреннего облучения населения, не существовало. Приходилось использовать приборы, которые хоть как-то можно было приспособить для этой цели. К ним относились: радио-

метр-дозиметр СРП-68-01 и сцинтилляционные одноканальные спектрометры: отечественный ГТРМ-01С и ЯРТ-20046 производства ГДР, применявшиеся ранее в лабораториях радиоизотоп-ной диагностики. С помощью этих приборов, начиная с 22 июля по конец августа 1986 г., сотрудниками нашего института было произведено более 90 тысяч измерений содержания радионуклидов цезия организме жителей загрязненных районов Брянской области. В феврале-апреле 1987 г. эти работы были продолжены, и общее количество измерений превзошло 200 тысяч [1, 2]. Сразу же возникла проблема метрологического обеспечения измерений. Необходимо было найти коэффициент связи (Кс) между показаниями приборов и содержанием радионуклидов цезия в организме для лиц различного телосложения. С этой целью в октябре 1986 г. в нашем институте был проведен эксперимент с привлечением шести добровольцев различного телосложения. Их масса тела варьировала от 49 до 96 кг, а рост - от 167 до 185 см. Добровольцы приняли перорально по 370 кБк (10 мкКи) смеси 137Сэ и 134Сэ в соотношении, соответствующем «чернобыльской» смеси. Текущее содержание радионуклидов цезия в организме каждого из добровольцев тщательно контролировалось как по анализу выведений, так и прецизионными измерениями с помощью экспертного СИЧ института. По истечении трех недель с момента инкорпорации, когда радионуклиды цезия равномерно распределились по организму, была проведена калибровка имевшихся средств измерения по каждому из добровольцев. В результате, для каждого типа приборов была получена зависимость Кс от антропометрических характеристик тела человека [4]. Эксперимент проводился при участии Госстандарта. Это позволило уточнить данные измерений, проведенных в 1986 г., а в феврале 1987 г. метрологические характеристики каждого из используемых приборов уточнялись с помощью добровольцев, прибывших к местам измерений. Один из добровольцев был использован в качестве живого фантома нашими Киевскими коллегами при калибровке более чем десяти СИЧ, работавших на Украине. Т ипичная зависимость Кс от массы тела приведена на рис. 1.

Масса, кг

Рис. 1. Зависимость Кс от массы тела.

Расчет величины активности (А) радионуклида в организме по показаниям прибора осуществляется в соответствии с алгоритмом, который, как правило, выражается известной формулой:

А = Кс (М - Мф - Кэ ),

где Кс - коэффициент связи, Бк/с-1 (Бк-ч/мкР - для СРП-68); N - показания прибора при измерении человека, с-1 (мкР/ч - для СРП-68); Мф - показания прибора при измерении фона в отсутствии измеряемого человека, с-1 (мкР/ч - для СРП-68); Кэ - коэффициент экранирования фона телом человека.

В первые годы после аварии на ЧАЭС, когда инкорпорированные активности цезия были значительными, и величина N существенно превосходила величину Мф, точность расчета активности по приведенной формуле не слишком сильно зависела от погрешности применяемой величины Кэ. На практике величину Кэ определяли путем измерений лиц (приезжих) с заведомо низким содержанием радионуклидов цезия. Впоследствии, в связи с улучшением радиационной обстановки, вызванным принятыми контрмерами, величины N и Мф оказывались близкими, а в ряде случаев Мф оказывалось большим, чем М. В этой ситуации точность определения инкорпорированной активности в основном определяется правильностью выбора величины коэффициента экранирования фона Кэ. Фоновое излучение, действующее на детектирующую систему стационарного СИЧ, практически постоянно по интенсивности, спектральному составу и пространственному распределению, поэтому получение зависимости Кэ от антропометрических показателей человека не является сложной задачей.

Иначе обстоит дело с мобильными (установленными на транспортных средствах) и переносными СИЧ, работающими на загрязненных территориях. Дело в том, что Кэ существенно зависит от спектрального состава и пространственного распределения фонового излучения, а эти характеристики могут значительно варьировать даже в пределах одного помещения. В спектре фона в большей или меньшей степени может присутствовать излучение цезия, выпавшего на территорию, где проводятся измерения. Пространственное распределение этого излучения может меняться от горизонтально направленного, например, от наружной стены и окна внутрь помещения, до вертикального от загрязненной крыши. Характерные зависимости Кэ от массы тела для естественного изотропного фона (верхняя кривая) и для горизонтально направленного излучения цезия со стороны спины сидящего человека (нижняя кривая), представлены на рис. 2.

Анализ зависимостей рис. 2 показывает, что применение значений Кэ, полученных в условиях естественного фона, для расчетов активности, измеренной на загрязненной территории, может привести к занижению результата вплоть до отрицательных значений. Из этого следует, что для каждых конкретных условий измерений необходимо найти свои значения Кэ. Задача может быть решена путем использования полного фантома тела человека (без источников), или упрощенного фантома, например, в виде канистр с водой, устанавливаемых в стандартизированной геометрии. В последнем случае заранее должна быть получена зависимость между значениями Кэ, полученными с помощью упрощенного и полного фантомов. На практике ни тот, ни другой способ не используются, что приводит к абсолютным ошибкам, превосходящим саму измеряемую величину.

Масса, кг

Рис. 2. Зависимость коэффициентов экранирования от массы тела.

В начале 90-х годов в медицинских учреждениях западных районов Брянской области были установлены СИЧ, выпускаемые предприятием «Атоммет». Они работали в стационарном режиме, причем монтаж оборудования и обучение персонала осуществлялись специалистами предприятия «Атоммет». Информация, получаемая с помощью этих СИЧ, отличалась высокой достоверностью, в чем авторы настоящего сообщения неоднократно убеждались, при выездах на места с фантомом, аттестованным Госстандартом. С помощью СИЧ такого типа произведено более 100 тысяч измерений, результаты которых использованы при расчете доз внутреннего облучения и составлении соответствующих справочников. Неплохо себя зарекомендовали при работе в стационарных условиях СИЧ типа РУБ-01, относящиеся к третьему типу. Специалистами диагностического центра г. Клинцы с 1991 г. производились обследования детского контингента с помощью японского СИЧ «А1ока», подаренного фондом Сасакава.

К сожалению, со временем приборы типа СЕГ-04Т начали выходить из строя, предприятие «Атоммет» перестало существовать, а ремонт силами местных организаций был затруднителен. Кроме того, программа обработки первичной измерительной информации, выполненная в среде РОБ, да и сами ЭВМ морально устарели. В настоящее время мы не располагаем сведениями о СИЧ такого типа, успешно работающих в западных районах Брянской области. Вместо них с конца 90-х годов в распоряжение организаций, осуществляющих контроль внутреннего облучения, начали поступать относительно дешевые СИЧ третьего типа, такие как «Прогресс» и «Спутник». Чувствительность этих приборов к излучению цезия-137 значительно ниже, чем у СЕГ-04Т, а метрологическое и методическое обеспечение, на наш взгляд, слабо проработано.

С целью сравнительной оценки работы различных СИЧ нами было обработано более 100 тысяч результатов измерений содержания цезия-137 в организме жителей г. Клинцы Брянской области, полученных в 1994-2005 гг. с помощью различных СИЧ: СЕГ-04Т, РУБ-01 п6, «Прогресс» и «Спутник». Расчеты проводились в среде программы БРББ.

В качестве иллюстрации на рис. 3 приведены средние значения результатов измерений содержания цезия с 1996 по 2005 гг.

12“

10“

8

4-

♦

ф

А

ш А

и Ж и Ж

О - СЕГ 04т Д - РУБ 01 п6  - Прогресс х - Спутник

0“----1---1---1---1---1---1---1---1---1---1---

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Год измерения

Рис. 3. Среднее содержание цезия у взрослого населения г. Клинцы.

2

Данные, приведенные на рис. 3, показывают, что результаты, полученные с помощью приборов «Прогресс» и «Спутник», в 1,5-2 раза ниже, чем аналогичные результаты, полученные с помощью СЕГ-04Т и РУБ-01. Более детальное сравнение результатов, полученных с помощью перечисленных приборов, было выполнено по следующей методике. Для каждого прибора и для каждого года измерения на конкретном приборе был проведен дисперсионный анализ зависимости активности (А,) от массы тела человека (М,). Для полученной совокупности значений А СР(М) находилось уравнение линейной регрессии. При расчете уравнения в качестве веса значений А /°р(М/) использовалось количество измерений для данной массы тела М(М,). Для иллюстрации на рис. 4 приведен график с результатами расчета линии регрессии для результатов измерений 2003 г., выполненных с помощью СЕГ-04Т.

Масса, кг

Рис. 4. Линия регрессии для результатов измерений на СЕГ-04Т в 2003 г.

с 95 % интервалом.

Аналогичные линии регрессии были построены для сравнения приборов между собой. Результаты приведены на рис. 5 и 6. На приведенных графиках в правом верхнем углу рядом с названием прибора в скобках указано количество измерений, которое использовалось при расчетах. Из этих графиков видно, насколько сильно различаются результаты измерений, полученных с помощью различных приборов.

Сег 04т '

Масса, кг

Рис. 5. Сравнение результатов измерений, полученных в 2002 г.

Руб 01 п6 "

Масса, кг

Рис. 6. Сравнение результатов измерений, полученных в 2004 г.

Из приведенных графиков видно, что приборы типа «Прогресс» занижают результаты измерений по отношению к результатам, полученным с помощью СЕГ-01Т и РУБ-01, достоверность которых была подтверждена экспериментально (с помощью фантомов). Кроме того, в связи с высокими значениями минимально детектируемой активности 137Сэ для СИЧ третьего типа, определение содержания радионуклида в организме значительной части населения вообще оказывается невозможным.

Выводы

В настоящее время имеется достаточно информации о содержании цезия-137 в организме жителей всех населенных пунктов, расположенных на территории Брянской области, загрязненной вследствие аварии на ЧАЭС. В связи с этим нет необходимости в проведении тотального контроля непосредственно в местах проживания населения. Тем более не имеет смысла использовать переносные СИЧ, поскольку они не обеспечивают требуемой точности и достоверности измерений.

Мониторинг внутреннего облучения имеет смысл проводить на основе измерений, осуществляемых с помощью только стационарных СИЧ. Для этого необходимо восстановить и модернизировать имевшуюся ранее аппаратуру или приобрести новую.

Литература

1. Балонов М.И., Брук Г.Я., Голиков В.Ю. и др. Закономерности и уровни облучения населения России в результате Чернобыльской аварии //Проблемы смягчения последствий Чернобыльской катастрофы: Материалы международного семинара. - Брянск, 1993. - С. 102-105.

2. Балонов М.И., Брук Г.Я., Голиков В.Ю. и др. Облучение населения Российской Федерации вследствие аварии на Чернобыльской АЭС //Радиация и риск. - 1996. - Вып. 7. - С. 39-71.

3. Рекомендации по приборному обеспечению дозиметрического и радиометрического контроля в соответствии с НРБ-99 и ОСПОРБ-99. 2.6.1. Ионизирующее излучение. Радиационная безопасность. -М., 2003.

4. Kaidanovsky G.N., Dolgirev E.I. Calibration of radiometers for mass control of incorporated 131I, 134Cs and 137Cs nuclides with the help of volunteers //Radiation Protection Dosimetry. - 1997. - V. 71, N 3. -P. 187-194.

Hardware and methodological features of measuring cesium-137 in human body

Kaidanovsky G.N., Yakovlev V.A.

P.V. Ramsaev Research Institute of Radiation Hygiene of Rospotrebnadzor, St. Petersburg

The paper discusses the impact of variations in the calibration factor and background shielding factor on results of estimating cesium-137 in human body based on whole-body counter (WBC) measurements, especially in the long term after the Chernobyl accident. Results of cesium measurements using different devices are compared. It is concluded that with the cesium-137 level in human body decreasing, simple portable WBCs do not seem to be fitting and WBCs with shadow protection, mainly stationary ones, should be used.