ПРИНЦИПЫ И СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ.
Радиационная защита обеспечивает безопасность персонала и больных от вредного воздействия рентгеновского излучения. Необходимо ознакомиться с основными понятиями, характеризующими электромагнитное излучение.
Доза
Дозой называется часть энергии излучения, которая передается облучаемой ткани в виде ионизации.
Мощность дозы это доза, передаваемая одному грамму ткани за единицу времени.
Интегральная доза - это доза, передаваемая за все время облучения.
В настоящее время на практике применяется несколько понятий, характеризующих дозу излучения.
Поглощенная доза для любого ионизирующего излучения равняется той энергии, которая сообщается одному грамму облучаемого вещества ионизирующими частицами. Единица поглощенной дозы 1 рад (Radiation Absoled Dose), 1 рад = 100 эрг/г = 10-2 дж/кг.
Мощность поглощенной дозы это поглощенная доза за единицу времени. Единицы мощности поглощенной дозы, применяемые на практике: мрад/час; рад/мин; рад/час, где 1 мрад = 10-3 рад. Интегральная поглощенная доза - это доза, поглощенная всем объемом облучаемой части объекта за все время облучения.
Единица интегральной поглощенной дозы - 1 г рад.
1 г рад = 100 эрг = 10-5 дж - суммарная поглощенная энергия.
При поглощении излучения веществом температура вещества повышается, следовательно, по изменению температуры вещества можно судить о поглощенной дозе. Однако изменение температуры настолько малое, что измерение интегральной поглощенной дозы с помощью такого метода возможно только в лабораторных условиях.
Экспозиционная доза это способность рентгеновского излучения ионизировать воздух в данной точке пространства. Единица измерения экспозиционной дозы 1 рентген (р). 1 р - это такая доза рентгеновского или гамма-излучения, которая создает 2,083 х 109 пар ионов в 1,293 мг воздуха, что соответствует 1 см³ воздуха при давлении 760 мм рт. ст.
1 р = 2,58 х 10-4 а х сек/кг
1 р создает 1,61 х 1012 пар ионов в 1 г воздуха.
Экспозиционной дозе 1 р в мягких тканях тела соответствует поглощенная доза 0,97 рад. Поглощенная доза обычно пропорциональна экспозиционной дозе. Коэффициент пропорциональности практически не зависит от характера излучения. Мощность дозы - это доза за единицу измерения.
Единицы мощности экспозиционной дозы, применяемые на практике: мр/ч; р/мин; р/ч; р/неделя; р/год. Мощность экспозиционной дозы при облучении объекта, находящегося на расстоянии 0,5 м от фокуса рентгеновской трубки с анодным напряжением и током 40 кв и 20 ма, за время 4 - 5 сек будет приблизительно 1 р/мин. Мощность экспозиционной дозы измеряется ионизационной камерой. Стенки ионизационной камеры покрываются веществами, атомное число которых близко к атомному числу применяемого газа. С точки зрения поглощения и рассеяния излучения эти вещества ведут себя так же, как применяемый газ.
Допустимая поглощенная доза для человека. В настоящее время считается, что максимально допустимая доза для человека, не вызывающая патологических изменений организма, приблизительно 0,1 р за неделю. С точки зрения максимально допустимой дозы стандартами считаются рекомендации Международного Комитета Радиологической Защиты (ICRP)
Максимально допустимая доза - это такая поглощенная доза, которая приводит к патологическим изменениям в организме или повреждению генетического аппарата клетки только в редчайших случаях (вероятность близка к 0).
Защита от прямого и рассеянного рентгеновского излучения должна быть такой эффективной, чтобы поглощенная доза в любой точке защищаемого рабочего места в течение тридцатишестичасовой рабочей недели не превышала 0,1 р.
Основные принципы защиты, защитные материалы
Согласно гипотезе Эйнштейна, энергия любого электромагнитного колебания, в том числе и рентгеновского излучения, концентрируется в фотонах. При столкновении фотона с атомом его энергия частично (эффект Комптона) или полностью (фотоэлектронная абсорбция) передается атому, который ионизируется.
Возникающие в облучаемых тканях тела ионы оказывают вредное действие. Мы подчеркиваем только наиболее важные положения, касающиеся этого.
1. К биологическим изменениям в организме приводит только поглощенная им доза излучения. Жесткое рентгеновское излучение с короткой длиной волны поглощается телом в меньшей степени, чем «длинноволновое» мягкое излучение.
2. Влияние рентгеновского излучения на организм зависит от величины поглощенной дозы.
3. Последствия поглощенного организмом рентгеновского излучения выявляются только по истечении латентного периода. Длительность латентного периода иногда достигает нескольких лет. Вредное действие излучения может сказаться иногда только на последующих поколениях.
При прохождении рентгеновских лучей через любое вещество, в том числе и человеческое тело, их интенсивность меняется по экспоненциальному закону:
I1 = I0e-md, где:
I0 - интенсивность падающего излучения,
I1 - интенсивность излучения после прохождения через вещество,
m коэффициент ослабления,
d - длина пути рентгеновских лучей в веществе.
Коэффициент ослабления и состоит из двух компонентов:
m = m1 + o, где:
m1 - коэффициент поглощения,
о - коэффициент рассеивания.
У элементов с большим атомным весом (порядковый номер которых больше 20-ти) коэффициентом рассеивания можно пренебречь.
Коэффициент поглощения m1 зависит от плотности и порядкового номера вещества, а также от длины волны рентгеновского излучения:
m1 = cgz³λ³, где:
c - универсальная физическая постоянная,
g - плотность материала,
z - порядковый номер элемента в таблице Менделеева,
λ - длина волны.
Итак: если на какое-либо вещество падают рентгеновские лучи интенсивностью I0 и, проходя через него, имеют интенсивность I1, то I0 - I1 поглощается и рассеивается молекулами вещества. Длина волны рассеянного излучения больше, чем длина волны падающих лучей. Отношение количества поглощенного и рассеянного излучения зависит от характера вещества и длины волны.
Чем больше порядковый номер элемента, тем интенсивнее элемент поглощает и меньше рассеивает излучение. Поэтому для защиты от рентгеновских лучей применяются элементы с большим порядковым номером, из них наиболее часто - свинец. Поглощение зависит также от плотности и толщины материала. Это учитывается при расчете защиты. Поглощение других веществ, применяемых для защиты, задается по свинцовому эквиваленту. Под свинцовым эквивалентом понимают толщину материала, которая поглощает рентгеновское излучение так же, как свинцовая пластина толщиной 1 мл. Свинцовый эквивалент материалов, наиболее часто применяемых при защите от рентгеновского излучения, дается в таблице 2.
Защита от рентгеновского излучения, защитные средства
На основе вышесказанного практические возможности защиты сводятся к следующему:
1. Уменьшение времени пребывания в сфере источника рентгеновского излучения.
2. Оптимальный выбор характеристик рентгеновского излучения, применяемого для исследования и лечения (силы тока и напряжения генерирования, величины поля облучения).
3. Отфильтрование мягкого, не используемого излучения с помощью алюминиевого фильтра, расположенного непосредственно на стеклянной оболочке рентгеновской трубки.
4. Увеличение расстояния между источником излучения и объектом.
5. Применение защитных ширм из поглощающих материалов.
Меры радиационной защиты, описанные в пунктах 1 - 3, не требуют объяснения.
Расстояние от источника рентгеновских лучей. При диагностических исследованиях минимальное расстояние между фокусом рентгеновской трубки и исследуемым составляет 35 см (кожно-фокусное расстояние). Это расстояние обеспечивается автоматически конструкцией просвечивающего и съемочного устройства (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Кожно-фокусное расстояние (кф)
1. фокус; 2. кожух рентгеновской трубки; 3. окно; 4. диафрагма; 5. опорная стенка; 6. исследуемый объект; 7. просвечивающий экран; 8. свинцовое стекло; 9. место врача, проводящего исследование
В рентгенотерапевтических аппаратах расстояние между фокусом рентгеновской трубки и облучаемой частью тела зависит от высоты тубуса и меняется в пределах 30 - 50 см. Во время работы рентгеновского аппарата обслуживающий персонал должен находиться на расстоянии не менее 1,5 м от источника излучения. При этом обязательно применение защитной ширмы. В настоящее время строятся такие рентгеновские кабинеты, в которых рентгеновский аппарат управляется из отдельного помещения.
При диагностических процедурах защита больного обеспечивается следующими мероприятиями. При обзорных снимках осуществляется защита гонад. При томографии и снимках лучами Букки используется фартук из свинцовой резины. При снимках таза и каудального отдела позвоночника применяется дополнительная гонадная защита (см. гл. 10). Защитить больного от рассеянного излучения, возникающего в его теле при съемке, невозможно. Поскольку врач находится перед просвечивающим экраном во время всего рабочего дня, он получает наибольшую дозу. Необходимо, чтобы рабочие места - у штатива при просвечивании и за защитной ширмой при рентгенографии были хорошо защищены. Для защиты от прямого излучения служит свинцовое стекло, покрывающее просвечивающий экран, свинцовый эквивалент которого равен 2 мм, а также дистинктор-тубусы, средства для дистанционной пальпации. От рассеянного излучения врача защищает фартук из свинцовой резины, подвешенный на нижней части просвечивающего экрана (свинцовый эквивалент 1,2 мм). С двух сторон просвечивающего экрана расположены два листа из свинцовой резины, служащие для защиты рук врача. У просвечивающих экранов, снабженных устройством для прицельных снимков, защиту рук обеспечивает само устройство. Для защиты служит также подвижная малая защитная ширма-стул шириной 1 м.
Во время просвечивания на трахоскопе врач должен стоять. В этом случае для защиты от рассеянного рентгеновского излучения применяется передвижная защитная ширма высотой до уровня груди врача и шириной приблизительно 70 см, покрытая свинцовой резиной. Во время исследования врач использует личные средства защиты: перчатки и фартук из свинцовой резины (свинцовый эквивалент 0,2 - 0,5 мм).
При работе аппарата рентгенолаборант находится за защитной ширмой или в отдельном помещении, откуда он управляет рентгеновским аппаратом. В последнем случае рентгенолаборант работает при нормальном освещении в абсолютно защищенном месте.
В рентгенотерапии для защиты больного применяют фильтры и тубусы. С помощью фильтров регулируется глубина облучения, а с помощью тубусов - кожно-фокусное расстояние и величина облучаемого поля. Стенки тубуса защищают от рассеянного рентгеновского излучения. При облучении без тубуса необлучаемые части тела больного защищают листами свинцовой резины и другими лучепоглощающими веществами (таблица 3 и 4). Во время облучения врач и рентгенолаборант не должны находиться в помещении, где производится облучение. Рентгеновская установка работает только при закрытых дверях. При открывании двери аппарат автоматически выключается. Защита пульта управления рентгеновским аппаратом обеспечивается разделяющей стенкой, в которой имеется окно из свинцового стекла для наблюдения за больным.
У промышленных рентгеновских установок защита обслуживающего персонала обеспечивается так же, как при рентгенотерапии: путем дистанционного управления аппаратом из отдельного помещения.
Защита соседних помещений. Стены помещения, в котором установлена рентгеновская аппаратура, должны обеспечивать надежную защиту соседних помещений от рентгеновских лучей. Для защиты от прямого излучения на стены, потолок и пол наносится лучепоглощающий слой. Защита соседних помещений от рассеянного излучения необходима только при использовании рентгеновских аппаратов, работающих при анодном напряжении свыше 50 кв. Стены в кабинетах, где установлены рентгеновские аппараты, работающие при напряжении на аноде до 10 кв, покрываются лучепоглощающим слоем до высоты 2 л, а при напряжении свыше 100 кв - до потолка.
В рентгенодиагностических кабинетах кирпичные стены толщиной 12 см обеспечивают полную защиту соседних помещений, если источник излучения находится на расстоянии не менее 1,5 м от стен. Проекты новых рентгеновских кабинетов утверждаются государственными органами.
Принципы измерения дозы
Экспозиционную дозу можно измерять разными способами, с помощью дозиметров. Чувствительными элементами дозиметров могут быть фото-эмульсия, ионизационные камеры, счетчики, сцинтилляторы и полупроводники.
Принцип измерения с помощью фоточувствительной эмульсии. Под действием рентгеновских лучей фотографическая пленка чернеет. Степень почернения пленки зависит от полученной дозы. Графическая зависимость степени почернения пленки от величины дозы показана на рис. 5.2. Степень почернения пленки измеряется с помощью денситометра.
Рис. 5.2. Зависимость почернения эмульсии рентгеновской пленки от дозы
Пучок рентгеновского излучения содержит лучи с различной длиной волны, обладающие разной энергией. Почернение пленки зависит от энергии излучения. Поэтому при измерении дозы рентгеновского излучения необходимо пользоваться фильтрами, что позволяет помимо дозы определить и жесткость.
Принцип измерения дозы с помощью ионизационной камеры. Важной характеристикой рентгеновского излучения является его ионизирующая способность, которая может быть зарегистрирована с помощью ионизационных камер. Под действием рентгеновских лучей молекулы и атомы газов ионизируются. При этом возникают положительные и отрицательные ионы, которые под действием электрического поля перемещаются к отрицательному и положительному полюсам и тем самым создают ионизационный ток. Величина этого тока зависит от числа пар ионов, возникающих за единицу времени, от напряженности электрического поля, свойств ионизируемого газа и геометрических размеров камеры. Электрическое поле в камере создается с помощью заряженного плоского конденсатора, между обкладками которого располагается ионизационная камера. При увеличении напряжения на обкладках конденсатора до некоторого предела увеличивается ионизационный ток. При дальнейшем увеличении напряжения ионизационный ток уже не растет, а остается постоянным. Это значение ионизационного тока называется током насыщения. При измерении дозы на обкладки конденсатора подается напряжение насыщения. Таким образом, ионизационный ток зависит только от числа пар ионов, характеризующего интенсивность излучения.
Принцип измерения излучения с помощью газоразрядного счетчика. Счетчик представляет собой наполненную газом цилиндрическую стеклянную трубку. Катодом счетчика является металлический слой, нанесенный на внутреннюю поверхность. Анод представляет собой тонкую нить, натянутую вдоль оси цилиндра. К электродам счетчика подключается напряжение. Напротив анодного вывода имеется окно, через которое рентгеновские лучи проникают в трубку, по внешнему контуру течет ток. При попадании кванта излучения в трубку возникает импульс тока во внешней цепи. Эти импульсы подсчитываются специальным устройством.
Измерительные приборы
Фотодозиметр. Он служит для измерения интегральной дозы. Дозиметр представляет собой бакелитовый футляр, в качестве детектора используется рентгеновская пленка, покрытая различными фильтрами. Носят дозиметр в наружном верхнем кармане рабочего халата. Пленка вынимается из футляра раз в неделю или в месяц и проявляется. По степени почернения оценивается интегральная доза. Измерение дозы с помощью фотодозиметра дает на практике точность в пределах от 0,05 до 1,00 р.
При помощи менее чувствительных рентгеновских пленок можно измерять дозу вплоть до 20000 р. Преимуществами фотодозиметра являются малая стоимость, простота в обращении и при оценке результатов, малая чувствительность к механическим воздействиям и возможность сохранения пленок в качестве документов. Фотодозиметры нашли широкое применение для постоянной индивидуальной дозиметрии работающих в сфере излучения.
Рис. 5.3. Принципиальная схема конденсаторных ионизационных камер
1, 2. внутренний электрод; 3. янтарь; 4. полистирол
Ионизационные камеры конденсаторного типа (рис. 5.3) предназначены для измерения интегральной дозы. Они представляют собой шаровой или цилиндрический конденсатор с янтарной или полистирольной изоляцией, емкостью 5 - 10 см. Диэлектриком в этих конденсаторах служит воздух. Пределы измерения ионизационных камер составляют 100 - 200 мр. При тщательной изоляции камеры ток утечки настолько незначительный, что при зарядке конденсатора на напряжение 100 - 150 в потеря заряда за день не превышает 2%. Поскольку изменение заряда конденсатора под действием излучения пропорционально поглощенной дозе, то по остаточному напряжению конденсатора можно судить об интегральной дозе. Измерение интегральной дозы в этом случае сводится к измерению напряжения. В зависимости от способа измерения напряжения существуют два типа камер. В более простых камерах зарядка конденсатора и отсчет остаточного напряжения производятся с помощью отдельного устройства. Более сложные дозиметры состоят из ионизационной камеры, электрометра и микроскопа для отсчета (рис. 5.4).
Рис. 5.4, Принципиальная схема индивидуального дозиметра
1. рамка; 2. кварцевая нить; 3. шкала
Если вследствие ионизации заряд кварцевой нити (2) и рамки (1) уменьшается, то это влечет за собой перемещение кварцевой нити вдоль шкалы (3).
Такая конструкция отличается большой прочностью. Прибор хорошо выдерживает механические воздействия и мало чувствителен к изменениям окружающей среды.
Ионизационная камера «Mekapion» служит для измерения интегральной дозы. Чувствительным элементом (датчиком) ее является наперстковая ионизационная камера. Один электрод ионизационной камеры заряжен положительно, а другой, присоединенный к управляющей сети триода,- отрицательно. Под влиянием рентгеновского излучения заряд ионизационной камеры уменьшается, следовательно, уменьшается и напряжение, запирающее триод. Вследствие этого в лампе потечет анодный ток; реле, включенное в анодную цепь триода, сработает, сигнальная лампочка загорится, а счетчик одновременно зарегистрирует импульс. Одна вспышка сигнальной лампочки или же одно деление на счетчике соответствует дозе 2,5 р. Электрическая схема прибора показана на рис. 5.5. Прибор применяется при рентгенотерапии. Недостатком его является большая чувствительность к изменениям напряжения сети.
Универсальный дозиметр фирмы Сименс служит для измерения интегральной дозы и мощности экспозиционной дозы. Интегральную дозу измеряют в пределах от 200 до 1000 р, а мощность экспозиционной дозы 20 - 200 р/мин. Принципиальная схема прибора приведена на рис. 5.6 и 5.7. При измерении интегральной дозы (рис. 5.6) наружная обкладка конденсаторной ионизационной камеры заряжена положительно, а внутренняя обкладка (нить) соединена с конденсатором большой, емкости (С) и электрометром (емкостным вольтметром). Под действием рентгеновского излучения по ионизационной камере потечет ток, заряжающий конденсатор. Угол поворота подвижной части электрометра пропорционален заряду конденсатора. При измерении мощности экспозиционной дозы (рис. 5.7) внутренняя обкладка конденсаторной ионизационной камеры заземляется через большое сопротивление R. Ионизационный ток, протекающий по камере под действием рентгеновского излучения, создает падение напряжения на сопротивлении, в любой момент времени пропорциональное мощности экспозиционной дозы. Прибор применяется при наладке терапевтических рентгеновских аппаратов. Градуировка прибора производится с помощью радиоактивных препаратов с большим периодом полураспада.
Дозиметр типа FH 40H служит для измерения мощности экспозиционной дозы в пределах 0 - 1 р/час и 2 - 25 мр/час. Чувствительным элементом прибора является счетчик Гейгера - Мюллера. Принцип работы дозиметра: ток сетки электронной лампы, управляемой счетчиком, измеряется с помощью микроамперметра. При открытом счетчике течет максимальный сеточный ток, значит, полное отклонение микроамперметра соответствует исходному положению. Под действием излучения в лампе потечет анодной ток, следовательно, ток сетки уменьшится, что пропорционально импульсам излучения, полученным счетчиком за единицу времени. Преимущество данного прибора заключается в том, что он питается от батареи.
Дозиметр типа FH 40Т является транзисторным вариантом описанного выше прибора.
