РАДИОХИМИЯ, 2020, том 62, № 1, с. 51-55

УДК 539.1.07

УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА

ФОТОНОВ ИСТОЧНИКОВ НА ОСНОВЕ ¹⁵³Gd

^a Научно-исследовательский институт атомных реакторов, 433510, Димитровград Ульяновской обл.,

Западное шоссе, д. 9

*e-mail: dem.nik.f@yandex.ru

Получена 27.03.2019, после доработки 22.04.2019, принята к публикации 29.04.2019

Разработаны установка и методика измерения потока фотонов источников на основе ¹⁵³Gd, позволяю-

щие проводить измерения потока фотонов в источниках ионизирующего излучения на основе ¹⁵³Gd в

диапазоне (10⁸-10¹⁰) фотон·с^-1·ср^-1 с погрешностью не более 10%, что в полной мере соответствует

современным требованиям медицины.

Ключевые слова: гадолиний-153, источники ионизирующего излучения, измерение потока фотонов

DOI: 10.31857/S0033831120010074

Характеристики источников фотонов из ок-

различных типов ИИИ, выпуск которых налажен в

сида ¹⁵³Gd. В радиационной медицине источники

НИИАР. Конструкция источника представлена на

ионизирующего излучения (ИИИ) - фотонного из-

рис. 1.

лучения - на основе радионуклида ¹⁵³Gd использу-

Исследования установки измерения потока

ются в аппаратах (костные денситометры) для из-

фотонов гадолиниевых источников. Установка

мерения содержания минеральных солей в скелете

потока гадолиниевых источников (УПГИ) была

человека и при диагностике заболевания. При из-

разработана и внедрена в НИИАР в тот момент,

готовлении ИИИ (в соответствии с ТУ 95 2576-95

когда институт разрабатывал технологию и при-

ОКП 70 1221 7000, Гадолиний-153) используется

ступал к выпуску источников фотонов на основе

препарат оксида гадолиния. Удельная активность

¹⁵³Gd. Метрологические исследования УПГИ про-

¹⁵³Gd в препарате должна быть не менее 2.6 ТБк

водили совместно с ВНИИМ им. Д. И. Менделеева.

(70 Ки) на грамм гадолиния. Доля активности ра-

Была разработана методика измерения (МИ) пото-

диоактивных примесей ¹⁵²Eu, ¹⁵⁴Eu, ¹⁵⁶Eu и ¹⁶⁰Tb

ка фотонов для источников на основе ¹⁵²Gd [2].

в препарате не должна превышать: 5·10^-4%. Вклад

Схема УПГИ представлена на рис. 2.

активности других радионуклидов в активность

препарата значительно меньше и поэтому не учи-

тывается. Габаритные размеры активной части:

d = 3 мм, l ≤ 2 мм.

Эти ИИИ представляют собой герметичную

капсулу из титанового сплава, внутри которой

находится таблетка, спрессованная из порошка

оксида ¹⁵³Gd. Способ герметизации - аргоноду-

говая сварка. Основным параметром для потре-

бителей таких ИИИ является поток фотонов [1].

Рис. 1. Конструкция источников фотонов на основе

Погрешность измерения этого параметра в меди-

¹⁵³Gd: 1 - ФГ153М12.410, 2 - ФГ153М12.110, 3 -

цинской практике не должна превышать 10%. В

ФГ153М11.410, 4 - рабочая поверхность ИИИ, 5 -

табл. 1 представлены значения потока фотонов для

оксид ¹⁵³Gd

ДЕМЧЕНКО и др.

Таблица 1. Значения потока фотонов для различных типов источников, выпускаемых в НИИАР

Отношение

Габаритные размеры,

Поток фотонов с энергией

Активность, ГБк

потоков фотонов с

мм

Тип источника

44 кэВ (рентгеновское

(Ки)

энергиями

излучение), с^-1·ср^-1

44 и 100 кэВ

ФГ153М11.410

37 (1)

>1.2×10⁹

>1.3

16.0

5.7

ФГ153М12.110^a)

11.1

(0.3)

>4.0×10⁸

>1.3

16.0

5.7

ФГ153М13.410

37 (1)

>2.0×10⁹

>1.3

10.0

7.0

^aПаспортизуются только по активности.

Спектр рентгеновского и гамма-излучения от

В состав установки входят также форвакуумный

реального ИИИ на основе ¹⁵³Gd представлен на

насос 3, термопарный манометрический преобра-

рис. 3.

зователь 4, вакуумный ресивер 5, вакуумный вен-

тиль 7 и измерительный прибор (вакуумметр) 8.

Измерения на рентгеновском спектрометре

ИИИ из ¹⁵³Gd активностью от 0.3 до 1.0 Ки пред-

В трубе-коллиматоре 6 (рис. 2) есть устройства,

полагают наличие необходимой геометрии, при

которые позволяют закреплять «окошки» (филь-

которой расстояние от детектора до ИИИ должно

тры) 10 из разных материалов, а также обеспечи-

вать крепление держателя с ИИИ из ¹⁵³Gd.

составлять не менее 600 см. Из литературы хоро-

шо известно, что рентгеновское излучение ¹⁵³Gd

Исследования, проведенные нами с фильтрами

(Еx = 41 и 47 кэВ) при такой геометрии измерения

из различных материалов и разной толщины, по-

значительно поглощается слоем воздуха [3]. При

казывают, что полный спектр на УПГИ от ¹⁵³Gd

проведении длительных (прецизионных) измере-

можно получить, используя фильтр из нержавею-

ний колебания давления воздуха, его температуры

щей стали. В нашем случае это фильтр толщиной

и конвекция воздуха в трубе-коллиматоре весьма

d = 0.3 мм, который мы стали использовать в даль-

неблагоприятно сказываются (как это было выяв-

нейшем для УПГИ. При метрологических иссле-

дованиях (при калибровке) УПГИ были получены

лено при испытаниях УПГИ) на результатах опре-

результаты, представленные в табл. 2 и 3.

деления потока фотонов. Поэтому измерительная

установка УПГИ представляет собой весьма слож-

В настоящее время установка не претерпела

ное устройство, которое включает в себя рентге-

никаких изменений, менялись только детекторы,

новский спектрометр 2 (рис. 2) на базе детектора

многоканальные анализаторы импульсов, датчики

БДРК-25 и трубу-коллиматор 6. Труба-коллиматор

и некоторые узлы вакуумной системы на новые.

имеет устройства, которые обеспечивают в ней

Методика измерения потока фотонов гадо-

необходимый вакуум (Р = 1 Па) при измерениях.

линиевых источников. Измерения потока фото-

ɫɦ

Рис. 2. Схема УПГИ. а - внешний вид, б - состав УПГИ. 1 - детектор БДРК-25, 2 - ренгенновский спектрометр на основе

платы SBS-55, 3 - форвакуумный насос, 4 - термопарный манометрический преобразователь ПМТ-2, 5 - вакуумный реси-

вер, 6 - труба-коллиматор, 7 - вакуумный вентиль, 8 - измерительный прибор (вакуумметр), 9 -источник рентгеновского

излучения из ¹⁵³Gd в держателе, 10 - фильтр в специальном устройстве.

РАДИОХИМИЯ том 62 № 1 2020

УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА ФОТОНОВ

нов от источников выполняют методом сравнения

с мерой потока фотонов - эталонным источником

2000

фотонного излучения (табл. 4) не ниже второго

разряда, тип которого соответствует типу измеряе-

1500

мого источника. Диапазон измерения потока фото-

нов рентгеновского и гамма-излучений составляет

1000

от 10⁸ до 10¹⁰ фотон·с^-1·ср^-1 [2].

103

500

Расчёт потока фотонов F_изм44 рентгеновского

излучения от источника проводится по формуле:

100

(1)

E ɤɷȼ

ɷɬ

Рис. 3. Спектр рентгеновского и гамма-излучения ИИИ

где F₄₄ - значение потока фотонов рентгеновского

на основе ¹⁵³Gd.

излучения от эталонного источника (из свидетель-

ства о поверке ИИИ), фотон·с^-1·ср^-1; N_и44м, N₄₄ -

F_изм = F_и44м + F_и10м0.

(2)

средние значения сумм скоростей счета в пике

Отношение потока фотонов рентгеновского из-

полного поглощения в области 40-50 кэВ для па-

лучения к потоку фотонов гамма-излучения (G)

спортизуемого источника и эталона соответствен-

вычисляют по формуле

но; K_t - коэффициент, учитывающий радиоактив-

ный распад радионуклида в эталонном источнике.

F_ɢɡɦ

(3)

G =

100

Поток фотонов гамма-излучения (F_и10м0) рассчи-

F_ɢɡɦ

тывают по той же формуле (2), заменяя значения

Относительную стандартную неопределен-

параметров F₄₄, N_и44м и N₄₄ на значения F¹⁰⁰, N_и10м0

ность U_A, имеющую случайный характер (нео-

и N₁₀₀ для энергий 97 и 103 кэВ соответственно.

пределенность типа А), принимают равной сред-

Суммарный поток фотонов

F_изм вычисляют по

неквадратическому отклонению (СКО) SF и рас-

формуле:

считывают по формуле

Таблица 2. Значение средних эффективностей УПГИ

Скорость счёта фонового

Средняя эффективность

Диапазоны энергий, кэВ

Погрешность, %

излучения, с^-1

регистрации^а

39.27-51.83

≤0.009

2.8×10^-7

95.27-98.57

≤0.002

3.7×10^-8

101.05-105.02

≤0.001

3.3×10^-8

^a Эффективность УПГИ определяли по отношению к потоку фотонов в 1 ср. Рабочий эталон - источник типа ФГ153М13.410

№ Э 2/1 (свидетельство о поверке № 1149/11) располагался в установке, где обеспечивался вакуум (Р = 1 Па).

Таблица 3. Метрологические характеристики УПГИ

Параметр

Значение

Погрешность измерения пока фотонов для уровня доверительной вероятности Р = 0.95, %

Диапазон энергии регистрируемого гамма-излучения, кэВ

40-105

Время установления рабочего режима, мин

Время непрерывной работы, ч

Диапазон измеряемого потока фотонов, с^-1·ср^-1

10⁸-10¹⁰

РАДИОХИМИЯ том 62 № 1 2020

ДЕМЧЕНКО и др.

Таблица 4. Паспортные значения рабочего эталона типа ФГ153М13.410 № Э 2/1

Энергия, кэВ

Поток фотонов,фотон∙с^-1∙ср^-1

Погрешность потока (Р = 0.95), %

Е_эфф = 44 кэВ

2.77×10⁹

Е_эфф = 100 кэВ

1.52×10⁹

U_A = SF,

(4)

Значения СКО для рентгеновского излучения

где SF - относительное СКО результата измерений

SF_и44м и для гамма-излучения SF_и10м0 вычисляют

потока фотонов, %.

по следующим формулам:

k=1

SF_ɢ

= 100

ɡɦ

(5)

N44ɦ)2Mɢɡɦ Mɢɡɦ ± 1)

N₄₄)²M_ɷɬ M_ɷɬ ± 1)

100

k=1

100

SF_ɢ

= 100

ɡɦ

(6)

N100)2Mɢɡɦ Mɢɡɦ ± 1)

N_ɷɬ

)²M_ɷɬ M_ɷɬ ± 1)

где M_изм, M_эт - число измерений соответственно

U_0.95 = 2U_c.

(10)

измеряемого и эталонного источников.

Далее рассчитывают относительную расши-

Относительную стандартную неопределен-

ренную неопределенность (при коэффициенте ох-

ность, обусловленную присутствием неисключен-

вата k = 2) для общего потока фотонов, UF_изм, %,

ных остатков систематических погрешностей (не-

по формуле

определенность типа B), U_B, %, рассчитывают по

UF_изм = 1/F√[F_и44мU_0.95(F_изм44)]²

формуле

+ F_и10м0 _·U_0.95(F_и10м0)]²,

(11)

(7)

где U_0.95(F_и44м), U_0.95(F_и10м0 ) - относительная рас-

U_B =

1.1¥3

ширенная неопределенность, %, для потоков фо-

где θ - граница относительной систематической

тонов рентгеновского и гамма-излучения, соответ-

погрешности результата измерений потока фото-

ственно.

нов для Р = 0.95%:

В завершение рассчитывают относительную

θ = 1.1√θ₁₂ + θ₂₂ + θ₃

²,

(8)

расширенную неопределенность при коэффици-

где θ₁

- относительная погрешность потока фото-

енте охвата k = 2 для отношения потоков фотонов

нов эталонного источника (приведена в свидетель-

рентгеновского и гамма-излучения, UG, %, по

стве о поверке и не должна превышать ±5%); θ₂-

формуле фотонов, UF_изм, %, по формуле

относительная погрешность, связанная с неточно-

U_0.95G = 1/F√[U_0.95(F_изм44)]² + U_0.95(F_и10м0 )]²,

(12)

стью установки контейнера-держателя с измеряе-

В табл. 4 приведены паспортные значения об-

мым источником, не более 1%; θ₃ - относительная

разцового источника (рабочего эталона) № Э 2/1

погрешность, связанная с нестабильностью уста-

новки, не более 1%.

типа ФГ153М13.410. Все рабочие эталоны прохо-

дят периодическую поверку в метрологическом

Далее рассчитывают относительную суммар-

центре ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в Санкт-

ную стандартную неопределенность U_c по формуле

Петербурге.

U_c = √

U_A2 + U_B2.

(9)

ВЫВОДЫ

Затем вычисляют относительную расширен-

ную неопределенность U_0.95, %, при коэффициен-

Разработанная установка и методика измерения

те охвата k = 2 по формуле

потока фотонов источников на основе ¹⁵³Gd по-

РАДИОХИМИЯ том 62 № 1 2020

УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА ФОТОНОВ

зволили успешно проводить паспортизацию этой

более 10%, что в полной мере соответствует совре-

продукции, выпускаемой в России. В настоящее

менным требованиям медицины.

время ИИИ такого типа широко применяются в

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

клиниках России и за рубежом. В начале каждых

поставок на рынок фотонных ИИИ из ¹⁵³Gd, как

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

правило, проводят сличительные эксперименты

интересов.

по определению основного параметра ИИИ (в дан-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ном случае потока фотонов).

1. Радионуклидные источники ионизирующего излуче-

Заказчику также предоставляются свидетель-

ния и препараты: Каталог. Димитровград: НИИАР,

ства о калибровке средств измерения. Участники

2004.

сличения результатов измерения также обменива-

2. Демченко Н.Ф., Дудун А.В., Кондаурова Г.И. Типо-

ются результатами МИ. Такие эксперименты нами

вая методика выполнения измерений. Определение

были проведены с фирмой Аmersham (Англия).

потока фотонов от закрытых радионуклидных источ-

Они подтверждают достоверность наших резуль-

ников на основе радионуклида гадолиний-153: Реги-

татов в пределах заявленной нами погрешности

страционный номер в Реестре методик ГНЦ НИИАР

измерений Созданные в НИИАР установка и ме-

№ 855. Димитровград: НИИАР, 2010.

тодика измерения позволяют проводить измерения

потока фотонов в ИИИ на основе ¹⁵³Gd в диапа-

3. Машкович В.П. Защита от ионизирующего излуче-

зоне (10⁸-10¹⁰) фотон·с^-1·ср^-1 с погрешностью не

ния: Справ. пособие. М.: Атомиздат, 1980.

РАДИОХИМИЯ том 62 № 1 2020