УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕТРОСПЕКТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАКОПЛЕННОЙ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к техническим устройства, а именно к радиационной физике, в частности к дозиметрии ионизирующих излучений, и может быть использована для ретроспективной дозиметрии ионизирующего излучения при неконтролируемых (аварийных) радиационных воздействиях.
Ретроспективное определение накопленных поглощенных доз ионизирующего излучения вследствие радиологических аварий и инцидентов (ретроспективная дозиметрия) является актуальной задачей для дозиметрического обоснования медицинских и/или профилактических мероприятий по преодолению последствий облучения, принятия решений по реабилитации загрязненных территорий, а также для дозиметрической поддержки радиационно-эпидемиологических исследований с целью оценки рисков радиационных воздействий. Для этого, в частности, используется явление радиационно-обусловленной стимулированной люминесценции (далее – РОСЛ) кристаллических веществ, находящихся в составе облученных объектов, оказавшихся в зоне неконтролируемого радиационного воздействия. Если объект является антропогенным элементом окружающей человека среды, то на этом основании можно оценить локальную дозу облучения людей, находившихся в период неконтролируемого (аварийного) радиационного воздействия вблизи данного объекта (Bailiff I.K., Sholom S., McKeever S.W.S. Retrospective and emergency dosimetry in response to radiological incidents and nuclear mass-casualty events: A review. Radiation Measurements. 2016. V. 94. P. 83-139. doi.org/10.1016/j.radmeas.2016.09.004).
Аналоги
Известно применениекристаллов природного происхождения (в частности, кристаллов кварца), являющихся включениями в кирпичах, черепице, керамике, прошедших высокотемпературный отжиг при их изготовлении, а затем использованных как строительный материал при сооружении зданий или помещений (далее – объектов), причем выделенные из кварцсодержащих материалов (далее – образцов) природные кристаллы кварца пригодны для измерений методом регистрации РОСЛ, с целью определения локальных накопленных поглощенных доз в местах, подвергшихся неконтролируемому радиационному воздействию, и где, как было установлено, находились объекты в период этого воздействия, например, в результате аварии на Чернобыльской АЭС [Bailiff I.K. et al. doi: 10.1097/01.hp.0000137178.36835.79], испытаний ядерного оружия [Stepanenko et al. doi: 10.1269/jrr.47.a1; Bailiff I.K. et al. doi: 10.1097/01.hp.0000137178.36835.79], атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки [Kerr G.D. et al. doi: 10.1097/HP.0000000000000395]. Иными словами, кристаллы кварца используются в этом случае как природные накапливающие дозиметры. Для определения аварийной дозы облучения требуется использование образцов, прошедших высокотемпературный отжиг до аварийного облучения. Наличие отжига кварцсодержащих образцов необходимо для «снятия» поглощенной дозы естественного (фонового) ионизирующего излучения, накопленной в кристаллах за геологический период их существования. При ретроспективном определении накопленной дозы ионизирующего излучения содержащимися в кирпичах природными кристаллами, обладающими свойствами РОСЛ, необходимо знать даты отжига кирпичей, даты сооружения из них строений или помещений (объектов), положение и ориентацию кварцсодержащих кирпичей в объектах, координаты объектов, находящихся в местах неконтролируемого радиационного воздействия, так как от этого существенным образом зависит точность ретроспективного определения накопленной аварийной дозы облучения.
Недостатками данного технического решения являются:
- для определения дат отжига кварцсодержащих кирпичей, черепицы, керамики используются либо обладающие большой неопределенностью опросы местных жителей о датах сооружений объектов, либо же проводятся поиски в архивах, что представляет собой большие трудности и, как правило, невозможно в условиях крупномасштабных радиологических аварий, что существенно влияет на точность ретроспективного определения поглощенной дозы;
- природные радиационно-чувствительные кристаллы обладают большой вариабельностью химического состава, что снижает точность ретроспективной дозиметрии с применением явления РОСЛ;
- природные радиационно-чувствительные кристаллы подвергаются как воздействию проникающего квантового излучения, так и воздействию короткопробежными бета-частицами, вклад которых в дозу облучения превалирует в тонких наружных слоях строительных материалов, содержащих природные кристаллы, что требует специальных процедур по удалению наружных слоев для более точного учета дозы от проникающего излучения;
- радиационно-чувствительные кристаллы, содержащиеся в образцах, могут подвергаться световому воздействию, что приводит к искажению результатов ретроспективной дозиметрии в силу светочувствительности природных радиационно-чувствительных кристаллов и требует специальной защиты образцов светового воздействия после их извлечения из объектов и транспортировки перед измерениями;
- для измерений РОСЛ радиационно-чувствительных природных кристаллов необходимо их извлечение из образцов, что возможно лишь механическим или химическим воздействием и приводит к возникновению дефектов кристаллической структуры за счет механических или химических воздействий на кристаллы и, соответственно, к связанным с этим неопределенностям ретроспективного определения накопленной поглощенной дозы.
Наиболее близким к заявленному устройству (прототипом) является способ определения накопленной поглощенной дозы ионизирующего излучения, представляющий собой носитель, поддерживающий электронный чип, и защитный покровный слой на чипе электронного устройства, носимого человеком, при этом покровный слой содержит включенные в него синтетические радиационно-чувствительные кристаллы с известным химическим составом и известной датой их отжига, причем радиационно-чувствительные кристаллы пригодны для измерений методом регистрации РОСЛ [Göksu H.Y., Jacob P. EP 1 712 932 A1. Date of publication 18.10.2006].
Недостатками данного технического решения являются:
- электронные чипы в носимых или используемых человеком электронных устройствах, покрытые защитным слоем, содержащим радиационно-чувствительные кристаллы с известной датой отжига, могут менять свое положение в пространстве и нахождение во времени в период неконтролируемого радиационного воздействия из-за перемещений переносящих их людей с места на место, а также могут вообще отсутствовать в местах неконтролируемого радиационного воздействия. Поэтому для интерпретации результатов измерений с помощью известного устройства необходимо проводить для каждого случая специальное расследование (опросы людей, использующих электронные устройства), с целью восстановления дат и мест нахождения устройства в период неконтролируемого радиационного воздействия, что далеко не всегда возможно, а также зависит от таких субъективных и неопределенных факторов, как воспоминания опрашиваемых людей. Это обуславливает существенную неопределенность ретроспективных оценок поглощенных доз ввиду неопределенности соотнесения их к аварийному облучению;
- прозрачный защитный слой (например, эпоксидная смола), содержащий радиационно-чувствительные кристаллы, позволяет проводить измерения интенсивности РОСЛ, однако при этом не исключена возможность неконтролируемого светового воздействия на радиационно-чувствительные кристаллы, что приводит к искажению результатов ретроспективной дозиметрии, если используются синтетические светочувствительные кристаллы;
- если защитный слой не прозрачен, то для измерений РОСЛ кристаллов необходимо их извлечение из защитного слоя, что возможно лишь механическим или химическим воздействием и приводит к возникновению дефектов кристаллической структуры за счет механических или химических воздействий на кристаллы и, соответственно, к связанным с этим неопределенностям ретроспективного определения накопленной поглощенной дозы.
Техническим решением заявляемого устройства является создание простого устройства для ретроспективного определения дозы, исключающего влияние на результаты измерений вариабельности химического состава природных радиационно-чувствительных кристаллов.
Указанный технический результатдостигается тем, что устройство состоит из цилиндрического полого корпуса, имеющего по торцам герметичные пробки и выполненного из светонепроницаемого пластика, внутри корпус разделен на 19 ячеек размером 5 мм в диаметре и 5 мм по длине, 10 ячеек заполнены синтетическими радиационно-чувствительными кристаллами, а 9 - вставками из полиэтилена, причем ячейки с кристаллами чередуются с вставками из полиэтилена, сверху корпус покрыт алюминиевой фольгой толщиной 3 мм. Перед использованием кристаллы предварительно отжигают при температуре 500°C в течение 60 минут и остужают до комнатной температуры.
Полезная модель поясняется подробным описанием и иллюстрациями, на которых изображено:
фиг. 1 - схема устройства: а) вид сбоку в разрезе: 1 - устройство, 2 - цилиндрический полый корпус из непрозрачного ПВХ; 3 - синтетические радиационно-чувствительные кристаллы; 4 - разделительные цилиндрические вставки из полиэтилена; 5 - алюминиевая фольга; б) вид с торца в разрезе: 2 - цилиндрический полый корпус из непрозрачного ПВХ; 3 - синтетические радиационно-чувствительные кристаллы; 5- слой алюминиевой фольги; в) 6- торцевые пластиковые пробки;
фиг. 2 - схема примера применения устройства при его закреплении в определенных маркированных местах, например, при размещении его в стене здания/постройки: 7 - здание; 8 - отверстия в стене с диаметрами, соответствующими диаметру устройств, для размещения и закрепления устройств в стене; 9 - поверхность земли;
фиг. 3 - диаграмма ретроспективного определения годовой накопленной поглощенной дозы с помощью заявляемого устройства: D - годовая накопленная поглощенная доза, мГр (по вертикальной оси); X - глубина от поверхности стены здания, мм (по горизонтальной оси).
Устройство 1 (фиг. 1 а, б, в) состоит из: цилиндрического полого корпуса 2, причем торцы устройства закрываются герметичными пробками 6. Все устройство выполнено из светонепроницаемого пластика с внешним диаметром 7 мм и толщиной стенок 1 мм. Причем внутри корпус 2 разделен на 19 ячеек: десять ячеек заполнены синтетическими радиационно-чувствительными кристаллами 3, а другие девять ячеек - вставками из полиэтилена 4. Причем ячейки с кристаллами чередуются с ячейками из полиэтилена. Корпус 2 покрыт алюминиевой фольгой 5 толщиной 3 мм.
Пример использования устройства
2
3
Было изготовлено три устройства длиной 95 мм, внешним диаметром 13 мм. Размер ячеек - 5 мм в диаметре и 5 мм по длине. В составе устройства использовались синтетические кристаллы AlO:C - по 5 кристаллов толщиной 1 мм и диаметром 5 мм в каждой ячейке. Перед закладкой устройств в стену кристаллы предварительно отжигали при температуре 500°C в течение 60 минут с последующим остыванием кристаллов до комнатной температуры (180 минут). После чего кристаллы разместили в ячейках устройства поочередно с вставками из полиэтилена. Торцы устройств закрыли герметичными пробками. Корпус покрыли алюминиевой фольгой толщиной 3 мм.
Опыт проводили на территории, загрязненной радионуклидами вследствие аварии на Чернобыльской АЭС (населенный пункт Заборье, Красногорский район, Брянская область). Для этого, согласно схеме, на фиг. 2 от земли 9 на расстоянии 1 м выполнили в стене здания 7 три отверстия 8 диаметром 15 мм и глубиной 110 мм. После размещения устройств отверстия в стене закрыли герметиком. Места расположений устройств промаркировали. Местоположение, ориентация и координаты мест расположения устройств были документированы.
Спустя 90 суток после размещения, устройства изъяли из стены здания. Радиационно-чувствительные кристаллы, размещенные в ячейках устройства, извлекли и провели измерения методом регистрации РОСЛ (термостимуляция). На диаграмме (фиг. 3) демонстрируется четко выраженное уменьшение накопленной дозы по глубине стены, в направлении от наружной поверхности стены (обозначена точкой «0» на горизонтальной оси) за счет поглощения гамма-квантов материалом стены. Полученные данные характеризуют наличие и величину «техногенной» (аварийной) накопленной поглощенной дозы за счет гамма-квантов, излучаемых радионуклидами, содержащимися в почве вследствие радиоактивных выпадений после аварии на ЧАЭС.
Использование устройства позволяет достигнуть следующих технических результатов:
- устраняются неопределенности ретроспективной дозиметрии, обусловленные отсутствием точной информации о дате отжига радиационно-чувствительных кристаллов, вариабельностью химического состава природных кристаллов;
- устраняется неопределенность ретроспективного определения дозы из-за светового воздействия и воздействия короткопробежными бета-частицами на радиационно-чувствительные кристаллы за счет того, что радиационно-чувствительные кристаллы размещаются в светонепроницаемом корпусе устройства и экранируются защитным слоем алюминиевой фольги в период их экспозиции и в период их транспортировки для измерений;
- устраняется неопределенность ретроспективной дозиметрии за счет того, что экспонированные кристаллы могут быть извлечены из устройства без механических или химических воздействий на них, что не приводит к изменению их кристаллической структуры и, соответственно, не приводит к искажению величины определяемой поглощенной дозы ионизирующего излучения;
- применение устройства путем его закрепления в определенных маркированных местах, например в антропогенных объектах окружающей среды, которые могут быть подвержены неконтролируемому радиационному воздействию, с точным указанием местоположения, ориентации и координат этих мест, устраняет неопределенности ретроспективного определения накопленной дозы по сравнению с ситуациями, когда эта информация неопределенна или отсутствует.