Оценка радиационной чувствительности эмали зубов in vivo к нейтронному излучению

Оценка радиационной чувствительности эмали зубов in vivo к нейтронному излучению

Хайлов А.М.

ГУ - Медицинский радиологический научный центр РАМН, Обнинск

Работа посвящена расчету с помощью метода Монте-Карло (код MCNP4B) коэффициентов перехода от флюенса нейтронов к поглощенной дозе в эмали коренных зубов человека. Расчет проведен для 20 энергетических групп моноэнергетических нейтронов энергией от 10-9 до 20 МэВ в 5 стандартных геометриях облучения. Представленные данные могут служить основой для связи определяемого методом ЭПР-дозиметрии значения поглощенной дозы в эмали зуба, с величинами доз в органах и теле человека. Верификация путем сравнения коэффициентов перехода для различных органов с данными МКРЗ (публикация № 74, 1997 г.) показала удовлетворительное соответствие, для быстрых нейтронов расхождения составили менее 10 %. Показано, что поглощенная в эмали зубов доза находится в сильной зависимости от геометрии облучения и энергии нейтронов, начиная с 10 кэВ. Используя полученные значения коэффициентов перехода для вторичного гамма-излучения, проведена оценка нижней границы относительной радиационной чувствительности эмали зубов к нейтронам. Исследование продемонстрировало значимость вклада вторичных фотонов в суммарную дозу нейтронов, особенно для нейтронов с энергией до 1 МэВ. Полученные результаты доступны для применения в работе специалистами различных направлений (дозиметристами, радиологами).

Введение

Ретроспективное определение величины радиационного воздействия имеет большое значение для анализа радиационного риска и является важной частью многих радиационноэпидемиологических исследований. Для ретроспективной оценки индивидуальных накопленных доз облучения в случаях неконтролируемого воздействия радиации может быть использована спектроскопия методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) образцов эмали зубов человека (ЭЗЧ), удалённых по медицинским показаниям. ЭПР-дозиметрия на протяжении многих лет успешно применяется для дозиметрии фотонного излучения в аварийных и неконтролируемых ситуациях. Однако, в ряде случаев возникает необходимость оценки индивидуальных доз облучения у лиц, подвергшихся воздействию смешанного гамма-нейтронного излучения, в связи с чем встает вопрос о расширении области применения метода для дозиметрии нейтронного излучения.

Первыми стадиями реконструкции накопленной дозы методом ЭПР-дозиметрии являются оценка интенсивности сигнала ЭПР и определение дозы, поглощенной в образце ЭЗЧ (калибровка). Во всех публикациях, касающихся дозиметрии нейтронного излучения [1, 5, 10, 14], отмечается полная идентичность формы спектров ЭПР, вызванных воздействием нефотонных типов излучения, и спектров, индуцированных гамма-излучением. Данный факт делает невозможным разделение компонентов суммарной дозы с использованием спектральных свойств сигналов ЭПР, но позволяет использовать уже отработанные для определения доз гамма-излучения методики и параметры записи спектров, а также способы калибровки.

Основной целью ЭПР-дозиметрии является определение дозовой нагрузки в органах и всем теле, полученной пострадавшими, которая позволяет определить оптимальную стратегию лечения и оценить риск возникновения отдаленных последствий облучения. Задача перехода от дозы облучения, накопленной эмалью зуба, к дозе, поглощенной тканями и органами, может быть решена с помощью коэффициентов, связывающих оцененную дозу в ЭЗЧ in vivo, с параметрами полей излучения. Для ее решения прибегают к расчетным кодам, основанным на методе Монте-Карло с использованием числовой антропоморфной модели, и данных, учитывающих геометрию облучения при аварии. Для использования в радиологии и дозиметрии в работе [7] приводятся значения коэффициентов перехода от флюенса нейтронов к нормируемым и операционным величинам для случаев облучения моноэнергетическими нейтронами в различных геометриях облучения. Таким образом, рассчитав коэффициенты перехода от флюенса нейтронов к дозе в эмали зубов, мы сможем связать данные ЭПР-измерений с любыми дозо-выми величинами, приведенными в [7], делая возможным быстрое определение распределения доз в органах в случае непредвиденного переоблучения. В таком случае, значения доз, определенные методом ЭПР-спектроскопии, будут служить средством нормировки вычислений.

Зубная эмаль человека подвергается воздействию нейтронов, являющихся косвенно ионизирующим излучением, находясь в окружении мягких тканей головы. Следовательно, выход парамагнитных центров (ПЦ) под действием нейтронов в эмали зубов in vivo, в значительной мере определяют не только процессы в эмали, но и реакции в окружающей ее ткани, относительно богатой водородом. Таким образом, выход ПЦ обусловлен следующими факторами:

• протонами и тяжелыми ядрами отдачи эмали, а также продуктами ядерных реакций на ядрах эмали (в основном Ca, H, O);

• внешними протонами отдачи из окружающей мягкой биологической ткани (МБТ);

• электронами от вторичного гамма-излучения.

Соотношение перечисленных ионизирующих компонентов, прежде всего, определяется энергией нейтронов первичного пучка. Исследование первых двух из перечисленных компонентов, определяющих собственную радиочувствительность ЭЗЧ, возможно лишь эмпирически. Работы в данной области принесли определенные результаты, свидетельствующие о небольшой величине собственной радиочувствительности ЭЗЧ к нейтронам [1, 13, 14], и их продолжение в будущем позволит уточнить вид ее энергетической зависимости.

Для определения третьего компонента - вклада вторичного гамма-излучения, достаточным будет являться разделение при расчете поглощенных доз, обусловленных нейтронными взаимодействиями, на дозу непосредственно нейтронов и дозу вторичных фотонов. Тогда, в случае облучения эмали в поле нейтронного излучения, значение дозы, определяемое методом ЭПР-спектроскопии (при стандартной калибровке гамма-излучением 60Со), может быть представлено следующей формулой:

М кэм кэм

Дэпр = Д7 + • ДГ,

-Co - 60 -Co - 60 -Co - 60

где МЭПР - радиационный выход ПЦ в зубной эмали; кСо-60 , к^ , к п - радиочувствительность ЭЗЧ к гамма-излучению 60Со, вторичным фотонам и нейтронам соответственно; Дэпр - суммарный радиационный выход ПЦ в зубной эмали, выраженный в единицах погло-

Лпм Ппм

п и Ду - дозы нейтронов и вторичного гамма-излучения в эмали;

кГ / кСо - 60 , кп / кс0 - 60 - относительные радиочувствительности (ОРЧ) зубной эмали к

вторичным фотонам и нейтронам соответственно (по отношению к чувствительности к калибровочному гамма-излучению 60Со).

В работе [9] был сделан вывод о прямой пропорциональности величины радиационно-индуцированного сигнала в эмали (т.е. дозы ЭПР) расчетным дозам фотонов в эмали с помощью метода Монте-Карло (код МСЫР4Б), подтвержденный экспериментально с источниками фотонов в интервале энергий 13 кэВ-1,25 МэВ. Несмотря на то, что спектр вторичных фотонов обычно представлен более высокоэнергетическими гамма-квантами (доминирующими являются кванты радиационного захвата на водороде энергией 2,2 МэВ) для энергии которых экспериментального подтверждения не проводилось, данный эффект может быть приписан фотонам любых энергий. Это связано с тем, что при расчетах методом Монте-Карло напрямую учитывается энергетическая зависимость чувствительности эмали зубов к фотонам, пропорциональная отношению массовых коэффициентов поглощения энергии гамма-излучения в эмали и ткани [6]. Следовательно, при расчетах с помощью кода МСЫР4Б поглощенных доз в эмали для случая внешнего нейтронного облучения, значение ОРЧ эмали зубов к вторичным фотонам

(к™Iкс0-60 в формуле (1)) может быть принято равным единице, т.е. не учитываться

вообще.

Основной задачей работы, таким образом, являлся расчет коэффициентов перехода от флюенса нейтронов к поглощенным в зубной эмали коренных зубов дозам нейтронов и вторичных фотонов ( ДПМ и ДПм ). Значения таких коэффициентов, полученные для стандартных,

«идеализированных» геометрий облучения, могут быть использованы для нахождения требуемых дозиметрических величин в реальных условиях облучения. Также в работе планировалось исследовать количественный вклад вторичных фотонов в процесс регистрации дозы нейтронов методом ЭПР-дозиметрии. С учетом низкой чувствительности зубной эмали к нейтронному компоненту дозы, расчетное значение отношения дозы вторичных фотонов и суммарной поглощенной дозы в биологических тканях и теле человека может считаться нижним порогом регистрации значений суммарных доз нейтронов методом ЭПР-дозиметрии.

При прохождении быстрых моноэнергетических нейтронов через биологическую ткань результирующее поле нейтронов «размазывается» ввиду процессов рассеяния. Поэтому, в данной работе были приведены спектры нейтронов и вторичных фотонов, рассчитанные в местах расположения зубов человека для оценки данного эффекта.

Математическое моделирование нейтронного облучения

В данной работе для вычислений был использован математический фантом взрослого мужчины типа М!Я0 [12]. Все органы фантома описаны квадратичными неравенствами, туловище и руки представлены в виде эллиптических цилиндров; ноги - в виде усеченных конусов. Голова и шея представлены эллиптическим цилиндром, накрытым половиной эллипсоида. Рост мужского фантома составляет 170 см, вес - 70 кг, толщина кожного покрова - 0,2 см. Костная ткань включает в себя минерализованную составляющую и костный мозг, являясь гомогенной средой.

Поскольку в первоначальном виде фантом не содержал описания зубов, для расчета поглощенной дозы в ЭЗ человека в данном фантоме нами была добавлена дентальная область (рис. 1). Область была смоделирована согласно математическим уравнениям (2), составленным в результате анализа данных [2, 4, 8], которые дают представления о геометрических размерах области согласно среднестатистическим параметрам человека. Дентальная область описывается цилиндрическими поверхностями, имеющими эллиптическое сечение, где между внешним и внутренним слоями эмали расположен дентин, а также присутствует жевательная часть эмали.

6,5

+

5,4

+

8,5

> 1; у < -4; 76 < z < 78.

Рис. 1. Поперечное сечение головы фантома в месте расположения дентальной области.

2

Для моделирования транспорта излучения в фантоме нами использовался, основанный на методе Монте-Карло, программный комплекс МСИР-4В [3]. Вычисления выполнялись в режиме комбинированного нейтронно-фотонного транспорта (ИР), где вторичные фотоны производятся в ходе нейтронных взаимодействий. Для определения поглощенных доз в эмали зубов

и различных областях фантома использовался тип расчета F6 (energy deposition tally). Данный тип расчета проходит в керма-приближении, т.е. без проведения транспорта вторичных тяжелых заряженных частиц - протонов и ядер отдачи, а их энергия считается поглотившейся в точках образования, транспорт электронов от вторичного гамма-излучения также не учитывается. МКРЗ п.74 [7] принимает использование такого приближения для фотонов с энергиями до

3 МэВ и нейтронов вплоть до 10 МэВ на глубине не менее 10 мм. Поскольку в голове человека эмаль коренных зубов экранируется тканью щеки и слюной суммарной толщиной 10-20 мм, мы можем принять существование состояния равновесия вторичных заряженных частиц в месте расположения эмали и считать использование керма-приближения при расчетах обоснованным.

Вычисления были проведены для случаев общего облучения мононаправленными изотропными полями нейтронов энергией от 10-9 до 20 МэВ. Для учета эффекта химического связывания атомов водорода при энергиях нейтронов меньше 1 эВ использовались таблицы сечений теплового рассеяния (S(a, в). Расчет для нейтронов, энергией более 20 МэВ, был невозможен ввиду существующих в MCNP-4B ограничений. Величины доз были рассчитаны для следующих стандартных геометрий облучения: передне-задняя (AP), задне-передняя (PA), боковая (LAT), ротационная (ROT) и изотропная геометрии (ISO) облучения человека в воздухе, что делает возможным их использование как для случаев разового переоблучения единичными источниками, так и для равномерного облучения рассеянным внешним излучением радионуклидов.

Время расчетов выбиралось для достижения относительной погрешности вычислений не более 2-3 % для доз нейтронов и не более 5 % для доз вторичных фотонов. В случаях, когда расчет проводился для медленных и промежуточных нейтронов и геометрий, в которых эмаль наиболее удалена от потока нейтронов (PA, RLAT), дозу нейтронов рассчитывали до погрешности 10-15 %, т.к. ввиду малости величин время расчета для достижения меньшей погрешности могло стать чрезмерным.

Результаты и обсуждение

Для верификации используемой расчетной модели нами было проведено предварительное сравнение рассчитанных суммарных поглощенных доз нейтронов в различных органах, с аналогичными значениями, приведенными в [7]. Расхождение подавляющего большинства результатов составило менее 10-15 % для медленных и промежуточных нейтронов, 5-10 % для быстрых нейтронов.

Значения коэффициентов перехода (КП) к поглощенной дозе в эмали коренных зубов и теле человека на единичный флюенс моноэнергетических нейтронов представлены в табл. 1. В боковых геометриях результаты даны для случая облучения фантома слева отдельно для левой (LLAT) и правой (RLAT) частей челюсти, в остальных трех геометриях, ввиду зеркальной симметрии, приводятся усредненные значения. Симметричность расположения зубов боковых челюстей также обуславливает схожесть КП для геометрий PA и RLAT и, особенно, для AP и LLAT.

Таблица 1

Коэффициенты перехода от единичного флюенса нейтронов к поглощенным дозам в эмали коренных зубов, Дт!Ф для моноэнергетических нейтронов, падающих в различных геометриях на фантом взрослого человека

Энергия (МэВ) АР РА

нейт. фот. сумм. нейт. фот. сумм.

1,0х10"9 0,01 1,04 1,05 0,00 0,22 0,22

1,0х10"8 0,01 1,48 1,49 0,00 0,30 0,30

1,0х10"7 0,01 2,20 2,22 0,00 0,34 0,34

1,0х10"6 0,02 2,49 2,51 0,00 0,61 0,61

1,0х10"5 0,02 2,45 2,47 0,00 0,71 0,71

1,0х10"4 0,02 2,02 2,04 0,00 0,68 0,68

1,0х10"3 0,02 1,87 1,88 0,00 0,55 0,55

1,0х10"2 0,03 1,83 1,85 0,00 0,63 0,63

1,0х10"1 0,15 1,77 1,92 0,00 0,74 0,74

5,0х10"1 0,97 1,48 2,45 0,01 0,79 0,80

1,0х100 2,11 1,22 3,33 0,03 0,78 0,82

2,0х100 2,51 1,21 3,72 0,33 0,95 1,28

4,0х100 5,78 1,10 6,88 1,13 0,81 1,95

6,0х100 9,37 1,08 10,5 3,04 0,85 3,88

8,0х100 10,9 1,70 12,6 4,52 1,36 5,88

1,0х101 14,6 2,32 17,0 6,44 1,60 8,04

1,2х101 17,0 2,65 19,7 7,89 1,49 9,38

1,4х101 19,6 2,31 21,9 9,85 1,95 11,8

1,6х101 21,4 2,24 23,6 11,0 1,67 12,7

1,8х101 22,4 1,69 24,1 13,0 1,45 14,5

2,0х101 25,0 1,42 26,4 15,0 1,30 16,3

Энергия ПАТ ЯЬАТ !БО

(МэВ) нейт. фот. сумм. нейт. фот. сумм. нейт. фот. | сумм.

1,0х10-9 0,01 1,08 1,08 0,00 0,25 0,25 0,00 0,53 0,53

1,0х10-8 0,01 1,46 1,47 0,00 0,36 0,36 0,00 0,69 0,70

1,0х10-7 0,02 2,23 2,25 0,00 0,50 0,50 0,01 0,92 0,92

1,0х10-6 0,02 2,91 2,93 0,00 0,57 0,57 0,01 1,15 1,16

1,0х10-5 0,02 2,11 2,13 0,00 0,77 0,77 0,01 1,07 1,08

1,0х10-4 0,02 1,91 1,93 0,00 0,67 0,67 0,01 1,00 1,00

1,0х10-3 0,02 1,75 1,77 0,00 0,63 0,63 0,01 0,90 0,91

1,0х10-2 0,03 1,34 1,37 0,00 0,76 0,76 0,01 0,82 0,83

1,0х10-1 0,19 1,63 1,82 0,00 0,86 0,87 0,05 0,83 0,88

5,0х10"1 1,06 1,47 2,53 0,05 0,91 0,96 0,35 0,87 1,21

1,0х100 2,26 1,21 3,47 0,13 0,75 0,88 0,75 0,81 1,56

2,0х100 2,62 1,06 3,68 0,71 1,05 1,76 1,14 0,87 2,00

4,0х100 5,99 0,95 6,94 2,13 0,85 2,98 2,85 0,70 3,56

6,0х100 9,25 0,87 10,1 4,26 0,88 5,14 5,02 0,75 5,77

8,0х100 10,9 1,53 12,5 6,14 1,38 7,53 6,44 1,24 7,68

1,0х101 14,3 2,08 16,4 8,08 1,66 9,74 8,70 1,66 10,4

1,2х101 17,1 2,24 19,4 10,0 1,78 11,8 10,5 1,81 12,3

1,4х101 19,6 2,47 22,1 11,9 1,93 13,9 12,4 1,78 14,1

1,6х101 21,0 1,94 23,0 13,4 1,72 15,2 13,6 1,68 15,3

1,8х101 22,5 1,70 24,2 15,0 1,42 16,4 14,9 1,45 16,3

2,0х101 25,0 1,55 26,6 17,2 1,25 18,4 17,2 1,24 18,4

Из представленных значений видно, что дозы медленных и промежуточных нейтронов в ЭЗЧ пренебрежимо малы и могут не учитываться вообще. Данный факт обусловлен экранированием эмали зубов тканями головы и малым содержанием в ней водорода, ответственного за

энергопоглощение энергии нейтронов. Начиная с энергий более 1 МэВ, наблюдается резкое возрастание значений КП для дозы нейтронов, с некоторым замедлением темпов роста после

4 МэВ. Увеличение энергии нейтронов приводит к уменьшению зависимости значений КП от геометрии облучения ввиду увеличения пробегов.

Поглощенные дозы вторичных фотонов различаются не более чем в 3 раза для всех энергий нейтронов. Очевидно, что вторичное гамма-излучение играет основную роль в энергопоглощении для медленных и промежуточных нейтронов. Причем в геометриях облучения, в которых ЭЗЧ экранирована меньше (АР, ПАТ), вклад гамма-излучения больше. С ростом энергии количество нейтронов, которые успевают замедлиться до тепловых энергий, для которых велико сечение радиационного захвата, уменьшается. Это приводит к некоторому снижению дозы вторичного гамма-излучения вплоть до энергий нейтронов 7-8 МэВ. Дальнейшее ее увеличение вызвано появлением высокоэнергетических (более 4 МэВ) гамма-квантов.

В дополнение к расчету КП, на рис. 2 и 3 представлены спектры нейтронов и фотонов в местах расположения эмали коренных зубов при облучении нейтронами энергией 1 и 20 МэВ. Как видно, нейтронное поле в эмали зубов представляет собой суперпозицию рассеянных нейтронов (в основном тепловых, имеющих тенденцию к накоплению и диффузии) и нейтронов источника, не испытавших ни одного столкновения. Очевидно, что отношения этих групп нейтронов зависят как от энергии нейтронов, так и от геометрии облучения. Пробег в тканях и вклад нейтронов источника увеличивается с ростом их энергии. Рассеянные нейтроны, в свою очередь, оказывают влияние на формирование поглощенной дозы в ЭЗЧ в геометриях со значительной экранировкой (РА, Я1_АТ). Следовательно, если подтвердится зависимость радиочувствительности ЭЗЧ от энергии нейтронов, на которую указывают результаты работ [5, 13, 14], эффект замедления нейтронов в экранирующих эмаль зубов мягких тканях головы будет необходимо учитывать для получения корректных оценок ДЭПР .

Как известно, энергетическая зависимость чувствительности ЭЗЧ к фотонному излучению в диапазоне энергий до 300 кэВ имеет колоколообразную зависимость с максимумом в районе 50 кэВ, где оно на порядок превосходит чувствительность к фотонам 60Со [9]. Как уже было упомянуто, при расчете с помощью кода МСЫР4В происходит автоматический учет данной зависимости. Однако, при проведении экспериментов в области ЭПР-дозиметрии обычно используют тканеэквивалентные дозиметры гамма-излучения, прошедшие калибровку на поглощенную дозу фотонов в биологической ткани. В таком случае возможно расхождение значений, что может приводить к увеличению погрешности и завышению результатов измерений. Энергетический спектр вторичных фотонов, как следует из рис. 3, представляет собой синглет с энергией 2,2 МэВ, обусловленный реакцией радиационного захвата нейтронов (в основном тепловых) на водороде (Н(п, Y) Н2). Следовательно, при облучении нейтронами вклад вторичных фотонов энергией менее 300 кэВ незначителен. Для обеих рассмотренных энергий нейтронов он не превышает 1 % для геометрий облучения Я1_АТ и ПАТ. Даже принимая десятикратное превышение чувствительности в этом диапазоне, в худшем случае мы можем иметь дело с 5-10 % разницей в регистрации дозы вторичных фотонов эмалевым и тканеэквивалентным дозиметрами. Таким образом, мы приходим к выводу о необходимости учета хода жесткости ЭЗЧ к вторичным

фотонам только в случаях облучения ЭЗЧ нейтронами небольших энергий в тканеэквивалентных фантомах (обычно головы), в случаях, когда имеет место значительная экранировка водородсодержащими материалами (вода, полиметилметакрилат и др.). При облучении ЭЗЧ в воздухе и в остальных геометриях облучения фантома, ОРЧ к вторичным фотонам можно не учитывать.

0,1 -= 0,01 -=

ТЗ 1Е-3-

21

тз

1 Е-4 1Е-5

1 Е-6

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

Энергия нейтронов

1,0

Энергия нейтронов

Рис. 2. Дифференциальные спектры нейтронов в эмали коренных зубов для энергий налетающих нейтронов 1 (а) и 20 (б) МэВ.

0,6 •

0,5'

0,4'

Ш

р

0,3 -

0,2 -

0,1 -

0,0'

0,25-

0,20-

0,15 -

ТЗ

2!

о

0,10

0,05-

0,00-

а) 1 МэВ

-----1_1_АТ

.....Я1_АТ

0 2 4 6 8 10 12

Энергия фотонов

б) 20 МэВ

-------ПАТ

......Я1_АТ

п—•—і—•

0 2 4 6 8 10 12

Энергия фотонов

Рис. 3. Дифференциальные спектры вторичных фотонов в эмали коренных зубов для энергий налетающих нейтронов 1 (а) и 20 (б) МэВ.

На первый взгляд, наличие данных о спектральном составе и направлении поля нейтронного излучения делает возможным, подставляя значения КП и относительной радиочувствительности в выражение (1), прямой расчет ДЭПР  Однако, имеющиеся к настоящему моменту

экспериментальные данные по нахождению радиочувствительности ЭЗЧ к нейтронам остаются довольно противоречивыми и немногочисленными, что не позволяет построение энергетической зависимости. Порой наблюдаются значительные расхождения, которые не могут быть объ-

яснены большой величиной погрешности. Например, проведенные облучения на реакторе БІІепе (средняя энергия 0,8 МэВ) [13] показали, что ЭЗЧ позволяет с большой степенью точности регистрировать фотонный компонент источника, и лишь 1-2 % нейтронного компонента. В то же время, в работах [10, 11] значения чувствительностей к нейтронам энергией до 0,45 МэВ были в несколько раз выше.

Исходя из сказанного, в данной работе мы использовали значения КП к дозе вторичных фотонов в ЭЗЧ для определения нижней границы суммарной поглощенной дозы нейтронов, регистрируемой ЭЗЧ методом ЭПР-дозиметрии. Для этого также использовались рассчитанные нами КП к дозе во всем теле и щитовидной железе - органа, расположенного в относительной близости к ротовой полости.

На рис. 4 представлена зависимость отношения регистрируемой эмалью дозы фотонов в дентальной области к суммарной дозе на все тело от энергии нейтронов, полученное отношением соответствующих дозовых коэффициентов перехода. В области низких энергий нейтронов наблюдается сильная зависимость от геометрии облучения. Вплоть до энергий нейтронов

0,1 МэВ, метод ЭПР-дозиметрии позволяет регистрировать более 50 % дозы в мягких тканях (за исключением геометрии РА). В дальнейшем, с ростом энергии нейтронов, величина дозы вторичного гамма-излучения резко снижается, позволяя регистрировать для нейтронов энергии 2 МэВ не более 10 %, а от 4 до 20 МэВ - в диапазоне 3-4 % полной тканевой дозы.

АР

РА

ПАТ

Я1_АТ

!БО

& и

^ О I ГО С! ,

ГО т і ^ V і і

>- 2 : Б о '

Л

I

1 "I 1 ' "I ' ' "I ' 1 "I 1 1 "I 1

1Е-6 1Е-4 0,01

Энергия нейтронов, МэВ

0

1 Е-8

Рис. 4. Отношения поглощенных доз вторичных фотонов в ЭЗЧ к суммарной поглощенной дозе нейтронов во всем теле человека при внешнем нейтронном облучении.

Используя представленные КП и данные из [7], возможно проведение подобных оценок для любого органа. В качестве примера была выбрана щитовидная железа (рис. 5). Видно, что зависимости повторяют предыдущие с небольшими количественными различиями. Исключением является РА геометрия облучения, в которой проявляются различия в толщинах слоя биологической ткани, экранирующего ЭЗЧ и щитовидную железу. Для быстрых нейтронов с энергией более 4 МэВ оценка дозы может быть занижена в 10-20 раз.

0) Й О 2

^ О | ГО с! I

го ^

о 4 * I

- 2 I

AP

А  PA

А LLAT

А Л RLAT

А

А

А

А

 А

  Л  П У   Л  п    й А

- -д- А... Д И А П

1111 1 ' Й*П  шип 1 11Ш11 1 тЧттЧ

1E-9 1Б-8 1E-7 1Б-6 1E-5 1E-4 ^-3 0,01 Энергия нейтронов

0

0,1

Рис. 5. Отношения поглощенных доз вторичных фотонов в ЭЗЧ к суммарной поглощенной дозе нейтронов в щитовидной железе при внешнем нейтронном облучении.

Заключение

Полученные значения коэффициентов перехода могут служить основой для проведения коррекции результатов проведения ретроспективной дозиметрии по эмали зубов при облучении в смешанных радиационных полях излучения со значительным низкоэнергетическим нейтронным компонентом. Нейтронные поля, с которыми имеют дело на практике, обычно характеризуются спектрами сложного вида с большим разбросом по энергиям. Следовательно, требуется проведение интегрирования по спектру нейтронов (известному или ожидаемому) и учет вклада первичного фотонного компонента.

Для максимально точной интерпретации результатов ЭПР-дозиметрии при облучении быстрыми нейтронами в будущем требуется подробное исследование энергетической зависимости собственной радиочувствительночти эмали зубов к нейтронам и влияния на нее экранирующих водородсодержащих тканей. Обладание информацией такого рода сделает возможным непосредственное определение дозовых величин, обусловленных воздействием нейтронного излучения на организм человека.

Благодарность

Выражаю благодарность д-ру М.Хоши (Исследовательский институт радиационной биологии и медицины, Хиросима, Япония) за предоставленную возможность использования лицензированного расчетного кода MCNP4B.

Литература

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

2. Таблицы физических величин. Справочник /Под ред. акад. И.К. Кикоина. - М.: Атомиздат, 1976.

3. Briemeister J.F. MCNP - a general Monte-Carlo n-particle transport code, version 4B. LA-12625. -M, 1997.

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

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

6. Hubbell J. and Seltzer S. Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients (version 1.02). Available: http://physics.nist.gov/xaamdi. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 2000.

7. International Commission on Radiological Protection. Conversion coefficients for use in radiological protection against external irradiation. ICRP Publication 74. - Oxford: Elsevier Science, 1997.

8. International Commission on Radiological Protection. Reference man, anatomical, physiological and metabolic characteristics. ICRP Publication 23. - Oxford: Pergamon Press, 1974.

9. Ivannikov A., Tikunov D., Yermakova N. et al. Energy dependence of EPR dose response of tooth enamel to photons: experiment and Monte Carlo simulation //Radiat. Prot. Dosim. - 2004. - V. 108(4). - P. 303-315.

10. Khan R.F., Aslam, Rink W., Boreham D. Electron paramagnetic resonance dose response studies for neutron irradiated human teeth //Nucl. Instrum. Meth. - 2004. - V. 225. - P. 528-534.

11. Khan R.F., Rink W., Boreham D. Dosimetric response evaluation of tooth enamel for accelerator-based neutron irradiation //Radiat. Meas. - 2003. - V. 37. - P. 355-363.

12. Kramer R., Zankl M., Williams G. et al. The calculation of dose from external photon exposures using reference human phantoms and Monte-Carlo methods //Health Phys. - 2002. - V. 82(2). - P. 254-255.

13. Tikunov D., Ivannikov A., Trompier F., Herve M. et al. Relative sensitivity of tooth enamel to fission neutrons: Effect of secondary protons //Radiat. Meas. - 2005. - V. 39. - P. 509-514.

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

The estimation of human tooth enamel in vivo radiation sensitivity to neutron irradiation

Khailov A. M.

Medical Radiological Research Center of RAMS, Obninsk

In the present study MCNP4B simulation code was used to simulate the external neutron irradiation of the human adult mathematical model with pre-defined dental region. It gave the conversion coefficients that relate neutron fluence to the dose absorbed in tooth enamel (molars and pre-molars only) for 20 energy groups of monoenergetic neutrons with energies from 10-9 to 20 MeV for AP,

PA, LLAT, RLAT and ISO irradiation geometries. The data presented are intended to provide the basis for connection between EPR dose values and standart protection quantities defined in ICRP Publication 74. The results of the calculations for critical organs were found to be consistent with ICRP data, the discrepancies is generally less than 10 % for the fast neutrons. The absorbed dose in enamel was found to depend strongly on the incident neutron energy for neutrons over 10 keV.

The dependence of the data on the irradiation geometry was also observed. Lower bound estimates of enamel radiation sensitivity to neutrons were made using obtained coefficients for the secondary photons. Tooth enamel was shown to register at least 10 % of the total dose in human body in case of irradiation with pre-fast neutrons in AP irradiation geometry.