Kristjan Talts, Kalle Kepler

STANDARDFANTOOMI HAJUKIIRGUSVÄLJA JA SEIREDOSIMEETRI AJALISE LAHUTUSVÕIME NING NURKSÕLTUVUSE UURIMINE

Investigation of scatter radiation field of standard phantom, temporal resolution and angular dependence of active survey dosimeter

Kristjan Talts, Kalle Kepler

Abstract

Holders of radiation practice licenses have responsibility to conduct radiation monitoring of area to assess and reduce radiation risks to radiation workers and members of the public. Area monitoring is performed with active survey dosimeters which should have appropriate accuracy to measure radiation fields generated by medical radiological equipment. In general, active survey dosimeters measure ambient dose equivalent and it can be converted to effective dose using certain coefficients. Radiation risks can be assessed by comparing the effective dose with regulatory norms. The aim of this study was to investigate the distance dependence of scatter radiation field of standard phantom and to investigate temporal resolution and angular dependence of active survey dosimeter.

Temporal dependence was measured at exposure times in between 5-200 ms. The limit of temporal dependence was 32 ms. The best repeatability of the experiment was at exposure times 100-200 ms and it is recommended to conduct area survey with such exposure times. The angular dependence of Atomtex dosimeter was measured in extent of 90°. The difference of scatter radiation dose rate compared for 0° and 90° direction of the dosimeter was 9%. This difference stays in the limits of the allowable accuracy of 15%, but it is still recommended to conduct area survey using as close to 0° angle as possible. The scatter radiation intensity decreases approximately three times between the distances 50 cm and 100 cm. Measurements performed in the distance

ARTIKLID LÕPUTÖÖDEST

under 50 cm show that the scatter radiation intensity decreases slower, at distances longer than 100 cm the decrease is by inverse square law. This must be taken into account to decrease radiation risks and to select appropriate radiation protection means in workplace if personnel must be present in scatter radiation field.

Keywords: radiation monitoring, (active) survey dosimeter, ambient dose equivalent, temporal resolution, angular dependence.

Sissejuhatus

Radiodiagnostilistes asutustes on ruumiseire tähtis kvaliteedikontrolli ja ohutuskultuuri osa, et hoida asutuste töötajate ning elanike kollektiivdoos vastuvõetaval tasemel, mis ei ületaks seadusega kehtestatud norme. Keskkonnaministri määruse nr 52 kohaselt tuleb moodustada kiirgusallikaga piirnev kontrolliala, juhul kui aastane efektiivdoos kiirgusallika mõjupiirkonnas võib ületada 6 millisiivertit (mSv), ja jälgimisala, juhul kui aastane efektiivdoos võib ületada 1 mSv (Kiirgusallika asukohaks... 2016). Kiirgusseaduse § 53 lõike 3 kohaselt tuleb jälgimisalal tagada kaitse ioniseeriva kiirguse eest asjakohase seirega. Seire tagamise kohustus on kiirgustegevusloa omajal. Kiirgusallikat ümbritseval kontrolli- ja jälgimisalal peab doosikiirusseiret teostama sõltuvalt elektrikiirgusseadme omapärast (Kiirgusseadus 2020).

Tähtis on tagada seiredosimeetrite õige kalibreerimine radiodiagnostilistes asutustes saadavate dooside võimalikult täpseks hindamiseks ning vajaduse korral doosi optimeerimise programmide rakendamiseks, mis vähendaks kiirgusdoose töötajatele ja elanikele (Sutton jt 2012, Leyton jt 2016). Ruumiseire jaoks tuleb kasutada aktiivseid dosimeetreid. Seiredosimeetriga tehtud mõõtmised ei tohi lubatud mõõtemääramatuse piires erineda tegelikust doosist ja kordusmõõtmiste tulemused ei tohi üksteisest erineda üle 20% (Ankerhold jt 2009, Leyton jt 2016, Friedrich ja Hupe 2018, Makarevich jt 2020).

Leyton jt (2016) uurisid dosimeetrite vastavust spetsifikatsioonile ning tõid välja, et vähe on uuritud erinevate dosimeetrite võimet registreerida lühiajalisi kiirgusimpulsse, nagu kasutatakse tavaradiograafias. Kuna kiirgusimpulsid võivad olla väga lühiajalised, suurusjärgus mõned millisekundid (ms), siis on doosikiiruse seireks kontrolli- ja jälgimisalal tähtis hinnata seiredosimeetrite täpsust ning sobivust. Mõõtmisvõimekus ja -täpsus erinevad eriti lühiajaliste kiirgusimpulsside korral ning need võivad erineda ka dosimeetri tootja esitatud mõõtmistäpsusest, seega on tähtis peale selle uurida ka dosimeetrite sobivust ruumiseire jaoks reaalsetes tingimustes (Ankerhold jt 2009, Leyton jt 2016).

Kuigi dosimeetri tootja võib toote spetsifikatsioonis kirjeldada ajalise lahutusvõime ja nurksõltuvuse karakteristikuid laboritingimustes ideaalse punktallika korral, tuleb neid dosimeetrilisi omadusi täpsustada meditsiinikiiritusel kasutatavate säriaegade ja kiirgust hajutavate katseobjektide puhul. Autorile teadaolevalt ei ole Eestis sarnase sisuga uurimusi läbi viidud.

Uurimuse eesmärk on selgitada standardfantoomi hajukiirgusvälja kaugussõltuvust ning seiredosimeetri Atomtex AT1121 ajalist lahutusvõimet ja nurksõltuvust. Eesmärgist tulenevalt on püstitatud järgmised uurimisülesanded:

1. selgitada seiredosimeetri Atomtex AT1121 ajalist lahutusvõimet

Siemens Ysio täisdigitaalse radiograafi abil; 2. selgitada seiredosimeetri Atomtex AT1121 nurksõltuvust Siemens Ysio täisdigitaalse radiograafi abil; 3. selgitada standardfantoomi hajukiirgusvälja kaugussõltuvust seiredosimeetri Atomtex AT1121 ja Siemens Ysio täisdigitaalse radiograafi abil.

Võtmesõnad: kiirgusseire, seiredosimeeter, hajukiirgusväli, ajaline lahutusvõime, nurksõltuvus

ARTIKLID LÕPUTÖÖDEST Metoodika

Uurimuse raames viidi katse läbi Tartu Tervishoiu Kõrgkoolis 2021. aasta märtsis. Katse tegemiseks kasutati kõrgkooli radiograafia õppeklassis Siemens Ysio täisdigitaalset radiograafi, RTI Group AB toodetud dosimeetrit Piranha 657 koos lisadetektoriga ja seiredosimeetrit Atomtex AT1121. Looduslik taustkiirgus ruumis oli mõõtmiste ajal keskmiselt 82 nSv/h.

Katse käigus kasutati mõõtmisteks vertikaalstatiivil radiograafi kiirgusvälja kollimatsioonialaga 30 × 30 cm koos hajukiirgusvõrega (Pb r15 N80 fo180), kasutades rindkere PA protokolli ja fookuskaugust 180 cm. Mõõtmistel automaatset ekspositsioonikontrolli (AEC) kasutades tehti aktiivseks keskmine AEC-kamber. Hajukiirguse tekitamiseks kasutati 20 cm paksust polümetüülmetakrülaat- (PMMA) ehk pleksiklaasfantoomi ristlõikepindalaga 25 × 25 cm, kokku kaheksat 2,5 cm paksust fantoomi üksteise peal. Katse käigus mõõdeti dosimeetri ajalist lahutusvõimet, nurksõltuvust ja fantoomi tekitatava hajukiirguse kaugussõltuvust.

Ajalise lahutusvõime ja nurksõltuvuse uurimiseks asetati dosimeeter fantoomi keskpunktist fantoomile pealelangeva röntgenkiirguse suhtes 90-kraadises sihis 100 cm kaugusele. Dosimeetri ja fantoomi keskpunktid asusid samal horisontaaltasapinnal, maast mõõdetuna 92 cm kõrgusel. Dosimeeter asetati pliipõllele ning ruumi ehitust arvestades seintest ja ruumis olevatest objektidest võimalikult kaugele, et vähendada ümbritsevast keskkonnast tulenevat hajukiirgust. Hajukiirguse kaugussõltuvuse mõõtmiseks liigutati dosimeetrit samas sihis fantoomi suhtes 30–250 cm vahemikus. Nurksõltuvuse uurimiseks pöörati dosimeetrit tema detektorelemendi keskpunkti suhtes 15° kaupa veerand ringi ulatuses.

Ajalise lahutusvõime mõõtmiseks tehti ülesvõtted röntgentoru nimipingel 121 kV, lähtudes tüüpilisest rindkere ülesvõttel kasutatavast pingest. Mõõdeti käsitsi valitavatel fikseeritud säriaegadel 200 ms, 100 ms, 56 ms, 32 ms ja 20 ms, mida võimaldas radiograafi tarkvara. Lisaks kasutati mõõtmisel keskmise doosikambriga (retseptoridoos 1,25 μGy)

automaatset ekspositsioonikontrolli, kasutades säriaega ~5 ms. Vastav säriaeg mõõdeti Piranha dosimeetri lisadetektori abil ja säriaja lühendamiseks vähendati proportsionaalselt röntgentoru laengut. Kõikide säriaegade juures tehti vähemalt kolm kordusmõõtmist.

Nurksõltuvust mõõdeti veerandringi (90°) ulatuses 15° võrra dosimeetrit tema detektorelemendi keskpunkti ümber pöörates. Igas dosimeetri asendis tehti kolm kordusmõõtmist. Tulemused kohandati poolringile (180°) eeldusel, et dosimeetri detektorelement on ehituslikult sümmeetriline. Ülesvõtted tehti säriajaga 100 ms, röntgentoru nimipingel 121 kV ja laengu 5,6 mAs juures.

Lisaks mõõdeti hajukiirguse kaugussõltuvust ning võrreldi seda pöördsõltuvuse ja tüüpilise otsekiirgusintensiivsuse vähenemise seadusega, mis on olemuselt pöördruutsõltuvus. Ülesvõtete tegemisel kasutati säriaega 100 ms röntgentoru nimipingega 121 kV ja laenguga 5,6 mAs. Dosimeetriga tehti mõõtmised kaugustel 250 cm, 150 cm, 100 cm, 50 cm ja 30 cm ning igal kaugusel tehti kolm kordusmõõtmist. Dosimeeter oli röntgentorust tuleva kiirguse suhtes 90-kraadise nurga all. Andmete analüüsimiseks kasutati Microsoft Exceli tarkvara.

Tulemused

Ajalise lahutusvõime mõõtmised tehti röntgentoru pinge 121 kV juures ja mõõdeti säriaegade 200 ms, 100 ms, 56 ms, 32 ms, 20 ms ja 5 ms (±0,6 ms) juures. Dosimeeter oli primaarse röntgenkiirguse suhtes 90-kraadise nurga all ning ühe meetri kaugusel testfantoomist. Automaatset ekspositsioonikontrolli kasutati 5 ms ekspositsiooni korral, mistõttu on see esitatud koos mõõtemääramatusega. Röntgentoru laeng oli 20–200 ms säriaegade korral 5,6 mAs ja 5 ms säriaja korral 3,0 mAs. Keskmistatud tulemused on esitatud tabelis 1.

Tabel 1. Ajalise lahutusvõime määramise tingimused ja mõõtmistulemuste statistikud.

Säriaeg (ms) Doosikiiruse keskväärtus (mSv/h) Doosikiiruse standardhälve (mSv/h)

Suhteline standardhälve

200 16,9

100 32,3

56 57,2

32

20

~5 88,2

148,8

89,7 0,28

1,9

5,7

6,2

22

25 1,7%

5,8%

10%

7,1%

15%

28%

Joonisel 1 on esitatud dosimeetri ajalise lahutusvõime uurimistulemused. Alates 32 ms säriajast on lisaks joonistatud lähendusfunktsioon, missugune võiks olla mõõtmistulemuste trend arvutuslikult.

Joonis 1. Seiredosimeetriga Atomtex AT1121 mõõdetud ajaline lahutusvõime.

Nurksõltuvust mõõdeti konstantse röntgentoru pinge (121 kV), säriaja (100 ms) ning elektrilaengu (5,6 mAs) juures 100 cm kaugusel testfantoomist. Dosimeetri ja selle detektori algasend oli testfantoomi tekitatud hajukiirguse suuna suhtes 0-kraadise nurga all ning seda hakati

suurendama 15 kraadi võrra vastupäeva kuni 90 kraadini. Keskmistatud tulemused on esitatud tabelis 2.

Tabel 2. Nurksõltuvuse määramise tingimused ja mõõtmistulemuste statistikud.

Nurk Doosikiiruse keskväärtus (mSv/h) Doosikiiruse standardhälve (mSv/h) Suhteline standardhälve Suhtarv 0° mõõtmistulemuse suhtes

0° 32,3 1,9 5,8% 1,0

15° 31,9 1,6 5,0% 0,99

30° 32,7 0,94 2,9% 1,0

45° 30,6 1,7 5,6% 0,95

60° 29,9 1,5 5,1% 0,92

75° 30,0 2,1 7,1% 0,93

90° 29,4 1,9 6,4% 0,91

Joonise 2 kaare peal on märgitud nurgad kraadides ning mõõtetulemuse väärtused on välja toodud suhtarvuna (0–1) 0-kraadise nurga all toimunud mõõtmise suhtes. Diagrammil on mõõdetud väärtused ühendatud pideva joonega ja eeldades dosimeetri detektorelemendi sümmeetrilisust, on teises suunas mõõteväärtused vastavalt ühendatud punktiirjoonega.

Joonis 2. Seiredosimeetriga Atomtex AT1121 mõõdetud nurksõltuvus.

ARTIKLID LÕPUTÖÖDEST

Hajukiirgusvälja kaugussõltuvust mõõdeti hajukiirguse suhtes 0-kraadise nurga all konstantse röntgentoru pinge (121 kV), säriaja (100 ms) ja elektrilaengu (5,6 mAs) juures. Doosikiirust mõõdeti 250 cm, 150 cm, 100 cm, 50 cm ja 30 cm kaugusel fantoomi keskpunktist. Keskmistatud tulemused on esitatud tabelis 3.

Tabel 3. Hajukiirguse kaugussõltuvuse määramise tingimused ja mõõtmistulemuste statistikud.

Kaugus (cm) Doosikiiruse keskväärtus (mSv/h) Doosikiiruse standardhälve (mSv/h) Suhteline standardhälve

Hinnanguline doosikiiruse vähenemise suhtarv

250 5,0 0,29 5,9% –

150 14,3 0,90 6,3% –

100 32,3 1,9 5,8% 4,0 (100 : 200)

50 145,0 10 7,2% 2,99 (50 : 100)

30 190,0 9,3 4,9% 1,79 (30 : 60)

Kaugussõltuvuse andmed on esitatud joonisel 3, kus siniste punktidena on märgitud mõõtmistulemused, sinise joonega mõõtmistulemuste hinnanguline kõver, rohelise joonega kiirguse intensiivsuse vähenemise kõver pöördruutsõltuvusena ja oranži joonega kõver pöördsõltuvusena. Arvutatud kõverad on esitatud arvutatuna hinnangulise lähendusfunktsiooni abil ja kokku on viidud alguspunktid 30 cm kaugusel.

Joonis 3. Mõõdetud hajukiirguse kaugussõltuvus.

Arutelu

Ajalise lahutusvõimena lubavad uuritud dosimeetri tootjad, et dosimeeter on suuteline registreerima õigesti kiirgusimpulsside doosikiirusi vähemalt 30 ms pikkade säriaegade korral. Mõõteviga võib tootjate andmetel olla kuni 15% (AT1121, AT1123... i.a.). Mõõtmistulemuste varieeruvus oli pikemate säriaegade korral väiksem kui lühemate säriaegade korral. Alla 32 ms säriaegadel hakkasid mõõtmistulemused oodatult rohkem varieeruma. Ajalist lahutusvõimet on varem uurinud ka Ankerhold jt (2009) ning Leyton jt (2016). Ankerhold jt (2009) leidsid, et mitte ükski uuritud aktiivne dosimeeter ei suutnud õigesti mõõta 40 ms säriajaga kiirgusimpulsi doosi. Leyton jt (2016) uurisid ajalist lahutusvõimet küll 1–5-sekundiliste säriaegade korral, kuid ka selliste, võrdlemisi pikkade säriaegade puhul esines mõõtmistel puudusi.

Nurksõltuvus väheneb olenevalt röntgentoru energia suurenemisest. Käesolevas töös kasutatud röntgentoru pinge (121 kV) korral on keskmine energia ligikaudu 60 keV (Campillo-Rivera jt 2021). Selle energia puhul on tootjapoolses dosimeetri spetsifikatsioonis nurksõltuvuse kõige suurem erinevus poolringi sees 90° juures, kus mõõtetulemuse väärtus on ligikaudu 85% võrreldes otse mõõtmisega. Kõikide nurksõltuvuse katse mõõtmistulemuste suhe otse mõõdetud hajukiirguse suhtes oli alla 10%

ARTIKLID LÕPUTÖÖDEST

(0–9%). Kuna kõik mõõtmistulemused jäid lubatud täpsuse piiresse, ei saa väita, et uuritaval dosimeetril esines katse käigus nurksõltuvus. Küll esines mõningane mõõdetud doosikiiruse vähenemine nurga suurenedes, mis võib ühe põhjusena olla tingitud väikesest nurksõltuvuse esinemisest. Varasematest uurimustest ilmneb samuti, et uuritud dosimeetrid registreerivad tavaradiograafias kasutatavate energiate juures kõige paremini otsekiirgust ning kõige kehvemini kiirgust täisnurga all tehtavate mõõtmiste juures (Hayashi jt 2015, Kawaguchi jt 2017). Sellise tulemuse üks võimalik põhjus võib olla tingitud dosimeetrite ehitusest.

Mõõdetud hajukiirguse kaugussõltuvuse kohta on tehtud kõige lähedasem hinnang eksponentsiaalse kahanemise funktsiooni abil. Mõõdetud doosikiiruste intensiivsus väheneb kauguse suurenedes aeglasemalt hajukiirgust tekitava fantoomi läheduses ning kahanemine suureneb järjest enam fantoomist kaugenedes. Vahetult fantoomi läheduses kahaneb doosikiirus kauguse suurenedes nagu pöördsõltuvus. Chiang jt (2015) uurimuses oli primaarse kiirgusega ristisuunas ühe ja kahe meetri juures mõõdetud õhukermade nõrgenemise suhe 3,03. Läbiviidud uurimuse mõõtmistulemuste põhjal koostatud hinnangulise nõrgenemiskõvera järgi oli sarnane suhe vastavalt 50 cm ja 100 cm kauguste vahel (2,99). Vastavalt 30 cm ja 60 cm kaugusel vähenes kiirguse intensiivsus vähem – 1,79 korda.

Järeldused

Ajalise lahutusvõime mõõtmistulemused säriaegadel 5–200 ms kinnitasid, et 32 ms ja pikemate säriaegade korral suutis dosimeeter lubatud täpsuse piires ühtlaselt hajukiirgust registreerida. Lühemate kui 32 ms säriaegade puhul see aga ei kehtinud, mõõtmistulemused olid ebatäpsed ja varieerusid lubatust rohkem. Varieeruvuse kasv on nähtav standardhälbe suurenemisega.

Nurksõltuvuse kohta oli teada, et madalama energia korral see suureneb. Tootja spetsifikatsioonis esines 90° juures võrreldes otsemõõtmisega

~15%-line mõõtmistulemuste vähenemine, katsetulemustes on näha vastavat vähenemist ~9%. Mõõdetud doosikiirused vähenesid nurga suurenedes, kuid kõik mõõtmistulemused jäid 10%-lise täpsuse piiresse. Töö tulemuste põhjal ei saa järeldada, et esineb nurksõltuvus ja kiirgust tuleks mõõta dosimeetrit otse hajukiirguse poole suunates, kuid see on soovitatav.

Standardfantoomi hajukiirgusvälja kaugussõltuvuse uurimiseks mõõdeti tekkinud hajukiirgust 30–250 cm kaugusel fantoomi keskpunktist. Fantoomi vahetus läheduses väheneb doosikiirus hinnanguliselt ligikaudu pöördsõltuvusena kaugustel 30–60 cm (nõrgenemise suhtarv 1,79) ja kaugemal on hinnanguline nõrgenemise suhtarv ~3.

Allikaloend

Ankerhold, U., Hupe, O., Ambrosi, P. (2009). Deficiencies of active electronic radiation protection dosemeters in pulsed fields. Radiation Protection Dosimetry, 135(3): 149–153. AT1121, AT1123 X-ray and gamma radiation dosimeters. Atomtex. Campillo-Rivera, G. E., Torres-Cortes, C. O., Vazquez-Bañuelos, J., Garcia-Reyna, M.

G., Marquez-Mata, C. A., Vasquez-Arteaga, M., Vega-Carrillo, H. R. (2021). X-ray spectra and gamma factors from 70 to 120 kV X-ray tube voltages. Radiation Physics and Chemistry, 184: 109437. Chiang, H.-W., Liu, Y.-L., Chen, T.-R., Chen, C.-L., Chiang H.-J., Chao, S.Y. (2015).

Scattered radiation doses absorbed by technicians at different distances from Xray exposure: Experiments on prosthesis. Bio-Medical Materials and Engineering, 26: S1641–S1650. Friedrich, S., Hupe, O. (2018). Testing Different Area Dosemeters Concerning Their Behaviour in Pulsed Radiation Fields. Radiation Protection Dosimetry, 182(4): 480–487. Hayashi, H., Takegami, K., Okino, H., Nakagawa, K., Okazaki, T., Kobayashi, I. (2015).

Procedure to measure angular dependences of personal dosimeters by means of diagnostic X-ray equipment. Medical Imaging and Information Sciences, 32(1): 8–14. Kawaguchi, A., Matsunaga, Y., Suzuki, S., Chida, K. (2017). Energy dependence and angular dependence of an optically stimulated luminescence dosimeter in the

mammography energy range. Journal of Applied Clinical Medical Physics, 18(2): 191–196. Kiirgusallika asukohaks olevate ruumide nõuded, ruumide ja kiirgusallika märgistamise nõuded, radioaktiivsete kiirgusallikate kategooriad ning radionukliidide aktiivsustasemed. (2016). RT I, 18.11.2016, 8. Kiirgusseadus. (2020). RT I, 10.07.2020, 52. Leyton, F., Macedo, E. M., Ferreira, M. J., Navarro, V. C. C., Garcia, I. F. M., Pereira, L.

C. S., Navarro, M. V. T. (2016). Temporal Dependence of the Radiation Monitoring

Instruments for Area Monitoring Used at Radiodiagnostic and Intervention Facilities. Radiation Protection Dosimetry, 171(4): 509–519. Makarevich, K., Beyer, R., Henniger, J., Ma, Y., Polter, S., Sommer, M., Teichmann,

T., Weinberger, D., Kormoll, T. (2020). Dosimetry With the Ability to Distinguish

Pulsed and Non-Pulsed Dose Contributions. Radiation Protection Dosimetry, 190(4): 437–445. Sutton, D. G., Martin, C. J., Williams, J. R., Peet, D. J. (2012). Radiation Shielding for

Diagnostic Radiology, 2nd Edition. Wakefield: Charlesworth Press.