Аппаратурные и методические особенности измерений цезия-137 в организме человека

Счетчики (спектрометры) излучения человека (СИЧ) в зависимости от их характеристик принято разделять на три типа. К первому – относятся стационарные экспертные СИЧ, имеющие несколько детекторов, размещенных в многотонных защитных камерах, и позволяющие производить высокочувствительные измерения с анализом радионуклидного состава и пространственного распределения инкорпорированной активности в организме человека. Ко второму – относятся СИЧ, имеющие один, реже два детектора, снабженных экранами-коллиматорами, и теневую защиту (как правило, в виде кресла) весом 200÷300 кг. Такие СИЧ предназначены для измерений содержания радионуклидов в организме персонала в производственных условиях и населения при радиационной аварии. Они могут размещаться стационарно или монтироваться на транспортных средствах. К третьему типу относятся переносные СИЧ, имеющие один детектор без защиты и позволяющие проводить массовые измерения содержания радионуклидов в организме человека после радиационной аварии [3].

После аварии на ЧАЭС сотрудники института включились в работу по получению информации о радиационной обстановке на загрязненных территориях России, включая оценку доз внутреннего облучения по результатам измерений содержания радионуклидов в людях с помощью СИЧ.

При оценке доз внутреннего облучения населения, проживающего на территориях, загрязненных в результате радиационной аварии, первостепенным является вопрос о точности и достоверности СИЧ-измерений. Как точность, так и достоверность таких измерений зависят от типа применяемого СИЧ и метода (алгоритма) обработки первичной измерительной информации. Последнее особенно важно при проведении измерений непосредственно на загрязненных территориях, когда в спектре фона присутствует излучение радионуклидов, выпавших на территорию в результате аварии.

В первые годы после аварии на ЧАЭС аппаратуры, специально предназначенной для контроля внутреннего облучения населения, не существовало. Приходилось использовать приборы, которые хоть как-то можно было приспособить для этой цели. К ним относились: радио- метр-дозиметр СРП-68-01 и сцинтилляционные одноканальные спектрометры: отечественный ГТРМ-01С и RFT-20046 производства ГДР, применявшиеся ранее в лабораториях радиоизотопной диагностики. С помощью этих приборов, начиная с 22 июля по конец августа 1986 г., сотрудниками нашего института было произведено более 90 тысяч измерений содержания радионуклидов цезия организме жителей загрязненных районов Брянской области. В феврале-апреле 1987 г. эти работы были продолжены, и общее количество измерений превзошло 200 тысяч [1, 2]. Сразу же возникла проблема метрологического обеспечения измерений. Необходимо было найти коэффициент связи (Кс) между показаниями приборов и содержанием радионуклидов цезия в организме для лиц различного телосложения. С этой целью в октябре 1986 г. в нашем институте был проведен эксперимент с привлечением шести добровольцев различного телосложения. Их масса тела варьировала от 49 до 96 кг, а рост – от 167 до 185 см. Добровольцы приняли перорально по 370 кБк (10 мкКи) смеси 137Cs и 134Cs в соотношении, соответствующем «чернобыльской» смеси. Текущее содержание радионуклидов цезия в организме каждого из добровольцев тщательно контролировалось как по анализу выведений, так и прецизионными измерениями с помощью экспертного СИЧ института. По истечении трех недель с момента инкорпорации, когда радионуклиды цезия равномерно распределились по организму, была проведена калибровка имевшихся средств измерения по каждому из добровольцев. В результате, для каждого типа приборов была получена зависимость Кс от антропометрических характеристик тела человека [4]. Эксперимент проводился при участии Госстандарта. Это позволило уточнить данные измерений, проведенных в 1986 г., а в феврале 1987 г. метрологические характеристики каждого из используемых приборов уточнялись с помощью добровольцев, прибывших к местам измерений. Один из добровольцев был использован в качестве живого фантома нашими Киевскими коллегами при калибровке более чем десяти СИЧ, работавших на Украине. Типичная зависимость Кс от массы тела приведена на рис. 1.

Рис . 1. Зависимость К с от массы тела.

Расчет величины активности ( А ) радионуклида в организме по показаниям прибора осуществляется в соответствии с алгоритмом, который, как правило, выражается известной формулой:

A = Kc - (N - Nф - Kэ),

где К с - коэффициент связи, Бк/с^-1 (Бк•ч/мкР - для СРП-68); N - показания прибора при измерении человека, с^-1 (мкР/ч - для СРП-68); N ф - показания прибора при измерении фона в отсутствии измеряемого человека, с^-1 (мкР/ч - для СРП-68); К э - коэффициент экранирования фона телом человека.

В первые годы после аварии на ЧАЭС, когда инкорпорированные активности цезия были значительными, и величина N существенно превосходила величину N ф , точность расчета активности по приведенной формуле не слишком сильно зависела от погрешности применяемой величины К_э . На практике величину К_э определяли путем измерений лиц (приезжих) с заведомо низким содержанием радионуклидов цезия. Впоследствии, в связи с улучшением радиационной обстановки, вызванным принятыми контрмерами, величины N и N ф оказывались близкими, а в ряде случаев N ф оказывалось большим, чем N . В этой ситуации точность определения инкорпорированной активности в основном определяется правильностью выбора величины коэффициента экранирования фона К_э . Фоновое излучение, действующее на детектирующую систему стационарного СИЧ, практически постоянно по интенсивности, спектральному составу и пространственному распределению, поэтому получение зависимости К_э от антропометрических показателей человека не является сложной задачей.

Иначе обстоит дело с мобильными (установленными на транспортных средствах) и переносными СИЧ, работающими на загрязненных территориях. Дело в том, что К_э существенно зависит от спектрального состава и пространственного распределения фонового излучения, а эти характеристики могут значительно варьировать даже в пределах одного помещения. В спектре фона в большей или меньшей степени может присутствовать излучение цезия, выпавшего на территорию, где проводятся измерения. Пространственное распределение этого излучения может меняться от горизонтально направленного, например, от наружной стены и окна внутрь помещения, до вертикального от загрязненной крыши. Характерные зависимости К_э от массы тела для естественного изотропного фона (верхняя кривая) и для горизонтально направленного излучения цезия со стороны спины сидящего человека (нижняя кривая), представлены на рис. 2.

Анализ зависимостей рис. 2 показывает, что применение значений К_э , полученных в условиях естественного фона, для расчетов активности, измеренной на загрязненной территории, может привести к занижению результата вплоть до отрицательных значений. Из этого следует, что для каждых конкретных условий измерений необходимо найти свои значения К_э . Задача может быть решена путем использования полного фантома тела человека (без источников), или упрощенного фантома, например, в виде канистр с водой, устанавливаемых в стандартизированной геометрии. В последнем случае заранее должна быть получена зависимость между значениями К_э , полученными с помощью упрощенного и полного фантомов. На практике ни тот, ни другой способ не используются, что приводит к абсолютным ошибкам, превосходящим саму измеряемую величину.

Рис . 2. Зависимость коэффициентов экранирования от массы тела.

К э ест . фона

К э цезия -137

В начале 90-х годов в медицинских учреждениях западных районов Брянской области были установлены СИЧ, выпускаемые предприятием «Атоммет». Они работали в стационарном режиме, причем монтаж оборудования и обучение персонала осуществлялись специалистами предприятия «Атоммет». Информация, получаемая с помощью этих СИЧ, отличалась высокой достоверностью, в чем авторы настоящего сообщения неоднократно убеждались, при выездах на места с фантомом, аттестованным Госстандартом. С помощью СИЧ такого типа произведено более 100 тысяч измерений, результаты которых использованы при расчете доз внутреннего облучения и составлении соответствующих справочников. Неплохо себя зарекомендовали при работе в стационарных условиях СИЧ типа РУБ-01, относящиеся к третьему типу. Специалистами диагностического центра г. Клинцы с 1991 г. производились обследования детского контингента с помощью японского СИЧ «Aloka», подаренного фондом Сасакава.

К сожалению, со временем приборы типа СЕГ-04Т начали выходить из строя, предприятие «Атоммет» перестало существовать, а ремонт силами местных организаций был затруднителен. Кроме того, программа обработки первичной измерительной информации, выполненная в среде DOS, да и сами ЭВМ морально устарели. В настоящее время мы не располагаем сведениями о СИЧ такого типа, успешно работающих в западных районах Брянской области. Вместо них с конца 90-х годов в распоряжение организаций, осуществляющих контроль внутреннего облучения, начали поступать относительно дешевые СИЧ третьего типа, такие как «Прогресс» и «Спутник». Чувствительность этих приборов к излучению цезия-137 значительно ниже, чем у СЕГ-04Т, а метрологическое и методическое обеспечение, на наш взгляд, слабо проработано.

С целью сравнительной оценки работы различных СИЧ нами было обработано более 100 тысяч результатов измерений содержания цезия-137 в организме жителей г. Клинцы Брянской области, полученных в 1994-2005 гг. с помощью различных СИЧ: СЕГ-04Т, РУБ-01п6, «Прогресс» и «Спутник». Расчеты проводились в среде программы SPSS.

В качестве иллюстрации на рис. 3 приведены средние значения результатов измерений содержания цезия с 1996 по 2005 гг.

O - СЕГ 04т

∆ - руб 01п6 □ - п рогресс × - Спутник

in

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

Год измерения

Рис . 3. Среднее содержание цезия у взрослого населения г. Клинцы.

Данные, приведенные на рис. 3, показывают, что результаты, полученные с помощью приборов «Прогресс» и «Спутник», в 1,5-2 раза ниже, чем аналогичные результаты, полученные с помощью СЕГ-04Т и РУБ-01. Более детальное сравнение результатов, полученных с помощью перечисленных приборов, было выполнено по следующей методике. Для каждого прибора и для каждого года измерения на конкретном приборе был проведен дисперсионный анализ зависимости активности ( А i ) от массы тела человека ( М i ). Для полученной совокупности значений А _i ^ср ( М _i ) находилось уравнение линейной регрессии. При расчете уравнения в качестве веса значений А i ^ср ( М i ) использовалось количество измерений для данной массы тела N i ( M i ). Для иллюстрации на рис. 4 приведен график с результатами расчета линии регрессии для результатов измерений 2003 г., выполненных с помощью СЕГ-04Т.

Рис . 4. Линия регрессии для результатов измерений на СЕГ-04Т в 2003 г. с 95 % интервалом.

Аналогичные линии регрессии были построены для сравнения приборов между собой. Результаты приведены на рис. 5 и 6. На приведенных графиках в правом верхнем углу рядом с названием прибора в скобках указано количество измерений, которое использовалось при расчетах. Из этих графиков видно, насколько сильно различаются результаты измерений, полученных с помощью различных приборов.

Сег 04 т (N=4745)

Руб 01 п 6 (N=1520)

Прогресс (N=2319)

0 - I

I                                  I                                  I                                  I                                  I                                  I

50       60       70       80       90       100

Масса , кг

Рис . 5. Сравнение результатов измерений, полученных в 2002 г.

Руб 01 п 6 (N=2204)

Прогресс (N=9155)

Спутник (N=2319)

40       50       60       70       80       90       100

Масса , кг

Рис . 6. Сравнение результатов измерений, полученных в 2004 г.

Из приведенных графиков видно, что приборы типа «Прогресс» занижают результаты измерений по отношению к результатам, полученным с помощью СЕГ-01Т и РУБ-01, достоверность которых была подтверждена экспериментально (с помощью фантомов). Кроме того, в связи с высокими значениями минимально детектируемой активности 137Cs для СИЧ третьего типа, определение содержания радионуклида в организме значительной части населения вообще оказывается невозможным.

Выводы

В настоящее время имеется достаточно информации о содержании цезия-137 в организме жителей всех населенных пунктов, расположенных на территории Брянской области, загрязненной вследствие аварии на ЧАЭС. В связи с этим нет необходимости в проведении тотального контроля непосредственно в местах проживания населения. Тем более не имеет смысла использовать переносные СИЧ, поскольку они не обеспечивают требуемой точности и достоверности измерений.

Мониторинг внутреннего облучения имеет смысл проводить на основе измерений, осуществляемых с помощью только стационарных СИЧ. Для этого необходимо восстановить и модернизировать имевшуюся ранее аппаратуру или приобрести новую.