Dosimetric control of high energy EB

WSTĘP
Promieniowanie elektronowe stosuje się obecnie niemal rutynowo do przemysłowej modyfikacji fizycznych i chemicznych właściwości materiałów. Szczególnym przypadkiem wykorzystania akceleratorów elektronów jest sterylizacja radiacyjna wyrobów medycznych. Rozwój tej nowoczesnej metody, tzw. zimnego wyjaławiania stymulowany był w znacznym stopniu zapotrzebowaniem na produkowany z tanich materiałów polimerowych sprzęt jednorazowego użytku. Jego upowszechnienie w dużej mierze ograniczyło rozprzestrzenianie się wielu groźnych chorób zakaźnych. Metody radiacyjne znalazły zastosowanie również w innych dziedzinach, np. farmacji, kosmetyce, zielarstwie, produkcji przypraw itd.

Specyfika promieniowania jonizującego wymaga przy każdym nowym opracowaniu technologicznym przeprowadzenia analiz uwzględniających: przeznaczenie wyrobu, rodzaj i kształt tworzywa, sposób pakowania, ekonomikę przedsięwzięcia itd. Należy pamiętać, że zbyt mała dawka pochłoniętej energii nie gwarantuje osiągnięcia zamierzonego efektu technologicznego, natomiast zbyt duża może spowodować uszkodzenie materiału i podwyższa niepotrzebnie koszt zabiegu. Trzeba od razu zaznaczyć, że obróbka radiacyjna nie zawsze prowadzi wyłącznie do degradacji tworzywa. Cały szereg polimerów stosowanych w produkcji wyrobów medycznych, takich jak polietylen czy elastomery ulega radiacyjnemu sieciowaniu i przy odpowiednio dobranej dawce promieniowania podwyższa swoje własności mechaniczne. W wielu przypadkach można więc połączyć proces wyjaławiania z zabiegiem uszlachetniania materiału.

Istotą przemysłowego procesu obróbki radiacyjnej jest dostarczenie produktowi określonej ilości promieniowania jonizującego. Warto podkreślić, że promieniowanie jonizujące działa na wszystkie składniki materiału w sposób proporcjonalny do ich zawartości, a ściślej mówiąc – udziałów elektronowych.
Wyroby medyczne, których jakość może decydować o zdrowiu a nawet życiu pacjentów, wymagają zastosowania specjalnego system kontroli dozymetrycznej. W przypadku sterylizacji radiacyjnej mamy do rozwiązania kilka problemów: zaprojektowanie nowej technologii, określenie w uzgodnieniu z użytkownikiem dawki sterylizującej, rutynowa kontrola dozymetryczna dawki pochłoniętej oraz organizacja procedury z uwzględnieniem wskaźników dozymetrycznych typu przeszedł – nie przeszedł.

Celem tego opracowania jest krótkie przedstawienie podstawowych metod dozymetrycznych, stosowanych rutynowo do pomiarów dawek promieniowania elektronowego w Stacji Sterylizacji i Higienizacji Radiacyjnej w Instytucie Chemii i Techniki Jądrowej w Warszawie.

POMIAR DAWKI POCHŁONIĘTEJ PROMIENIOWANIA
Typowa instalacja radiacyjna składa się z akceleratora oraz współpracującego z nim przenośnika, na którym poruszają się pod wiązką elektronów pojemniki ze sterylizowanymi wyrobami (ryc. 1.). Najprostszym i najpewniejszym sposobem zmiany wielkości dostarczanej dawki promieniowania jest korekta szybkości taśmy przy stałych parametrach promieniowania elektronowego. Trzeba podkreślić, że akceleratory i transportery są stale kontrolowane przez urządzenia elektroniczne. Dodatkowo prowadzone badania mają jedynie na celu stwierdzenie w warunkach produkcyjnych, czy właściwie ustalono moc i energię wiązki, i że zaplanowana dawka jest dostarczana z wymaganą dokładnością. W tym celu dozymetry umieszcza się w pojemnikach, do których następnie wkładany jest sprzęt medyczny.

Dokładne i precyzyjne rozwiązanie zagadnień wpływu wielkości dawki pochłoniętej promieniowania na określone parametry materiałów wymaga opracowania odpowiednich metod dozymetrycznych i dostosowania ich do warunków doświadczenia. Związane jest to zwykle ze znacznym nakładem pracy, spowodowanym stosunkowo skomplikowanym charakterem procesów wywołanych w materiałach przez promieniowanie jonizujące.
Najwygodniejszymi w dozymetrii promieniowania elektronowego okazały się metody kalorymetryczne. Wyróżniają się one absolutnym charakterem, opartym na termodynamice degradacji energii pochłoniętego promieniowania jonizującego w ciepło. Oznacza to, że bezpośrednio mierzoną wielkością jest interesująca nas zaabsorbowana przez materiał energia promieniowania. Kalorymetry są obecnie na świecie podstawowymi dozymetrami używanymi do kontroli urządzeń akceleratorowych.
Jeżeli stosowany w kalorymetrze materiał nie wypromieniowuje wtórnie znaczącej ilości energii pierwotnego promieniowania i nie akumuluje jej w przemianach fizykochemicznych (np. straty promieniowania hamowania, odwrotne rozpraszanie elektronów, przemiany fazowe, radiofotoluminescencja, przemiany struktury krystalicznej i radioliza), to zgodnie z drugim prawem termodynamiki, pochłonięta energia – w naszym przypadku wiązki elektronowej – zdegraduje się nieodwracalnie w ciepło, wywołując tym samym określony wzrost temperatury w układzie kalorymetrycznym. W przypadku, gdy ciepło właściwe stosowanych w kalorymetrze materiałów jest dobrze znane, łącznie z jego poprawką temperaturową, a ponadto parametry wymiany ciepła z otoczeniem są określone wystarczająco dokładnie, to układ kalorymetryczny nie wymaga jakiejkolwiek kalibracji.
Wskazania kalorymetru nie zależą od mocy dawki wiązki i pozwalają wygodnie kalibrować rutynowe dozymetry chemiczne, np. z nieplastyfikowanego polichlorku winylu (PCW).
Obecnie kalorymetria radiacyjna stanowi bardzo różnorodnie rozwijaną technikę pomiarową. W tej publikacji autorzy ograniczyli się jedynie do opisu opracowanej w IChTJ modyfikacji prostej metodyki quasi-adiabatycznego kalorymetru grafitowego. Dla energii 5–10 MeV w graficie straty radiacyjne i wymienione powyżej efekty wtórne są praktycznie do pominięcia.
Kalorymetr jest wykonany w postaci krążka o średnicy 120 mm i wysokości 15 mm, izolowanego termicznie od otoczenia osłoną styropianową o wymiarach zewnętrznych 300x300x100 mm (ryc. 2.). W grafitowy krążek wmontowany jest odporny radiacyjnie termistor termometryczny typu VECO 32 A 180 tak, aby perełka termistora znajdowała się dokładnie w jego środku geometrycznym. Nominalna rezystancja termistora wynosi 1,5 kW±20 proc. w temp. 25⁰C. Maksymalna temperatura robocza do 200⁰C. Dopuszczalna moc pomiarowa 85 mW. Stała czasowa odpowiedzi temperaturowej ok. 4 s. Każdy termistor przed zamontowaniem jest przeskalowywany w ultratermostacie wodnym w zakresie od 15 do 70⁰C z rozdzielczością od ±0,05 do ±0,10⁰C. Uzyskana zależność stanowi podstawę do określenia różnic temperatury przed i po napromienieniu.
Charakterystyka temperaturowo-rezystancyjna termistora jest nieliniowa i można ją zlinearyzować we współrzędnych półlogarytmicznych:

log R=f (1/T)

Do obliczania dawki pochłoniętej promieniowania jonizującego wykorzystuje się zależność:

D=k · ΔT

gdzie k równa się sumie iloczynów mas i ciepeł właściwych poszczególnych elementów kalorymetru, a ΔT jest przyrostem temperatury przed i po napromieniowaniu.

Kalorymetr jest przeznaczony do dwóch celów:
- ustalenia akceleratorowych parametrów wiązki elektronowej, potrzebnych do uzyskania odpowiedniej dawki stosowanej w obróbce radiacyjnej, a zwłaszcza sterylizacji sprzętu medycznego,
- kalibracji innych dozymetrów, przeznaczonych do stałej kontroli procesów napromieniania, w szczególności dozymetrów foliowych.

Pomiary dawki promieniowania (D) prowadzi się przy zachowaniu tego samego położenia dozymetru względem skanera akceleratora (ryc. 1.).

Niezwykle ważnym problemem, szczególnie z ekonomicznego punktu widzenia, jest uzyskanie akceptowalnej wydajności obróbki radiacyjnej przy zachowaniu niezbędnej jakości usługi. Elektrony – przyspieszone do energii optymalnej dla celów obróbki radiacyjnej, tj. 10 MeV, są pochłaniane w funkcji grubości materiału dość niejednorodnie. Dawka powierzchniowa (tzn. dla bardzo cienkiego absorbenta) ulega tzw. podbiciu na mniej więcej 1/3 do 1/2 całkowitego zasięgu o ok. 28 proc., po czym szybko zanika do zera (ryc. 3.). Użyteczny zakres dawki głębinowej wynosi dla wody lub dowolnego materiału równoważnego wodzie (miękka tkanka biologiczna lub polimery organiczne) ok. 2,5 g/cm². Taka wartość grubości masowej zawiera pewien margines, uwzględniający poprawki na rozpraszanie elektronów dla geometrii odbiegającej od warstwowej (np. korpusy strzykawek czy cewniki w porównaniu do gazy, folii, prześcieradełek chirurgicznych lub saszetek z włókniną jałową). W przypadku zachowania grubości masowej na poziomie 2,5 g/cm² niejednorodność przestrzennego rozkładu dawki głębinowej wynosi ok. 14 proc. (wartość uśredniona). Natomiast stosunek dawki maksymalnej do minimalnej wynosi już 1,28.

POMIAR ENERGII
ELEKTRONÓW
Energia elektronów określa ich zasięg w napromienianym materiale i w praktyce decyduje o maksymalnej grubości warstwy sterylizowanych wyrobów. Jest, obok mocy wiązki, podstawowym parametrem technologicznym w obróbce radiacyjnej. Aby całkowicie wyeliminować możliwość wzbudzania w wyniku reakcji fotojądrowych promieniotwórczych radionuklidów, dla celów przemysłowych stosuje się promieniowanie elektronowe o energii nieprzekraczającej 10 MeV.

Podajemy zasadę pomiaru energii elektronów za pomocą klina aluminiowego. Jest to najprostsza, najbardziej popularna, rutynowa metoda rekomendowana przez najlepsze laboratoria na świecie. Wykorzystuje się tu zależność głębokości wnikania elektronów w materiał od ich energii. Krótko mówiąc, bardziej energetyczne elektrony dotrą w aluminium na większą odległość. Analiza spektrofotometryczna zaczernienia paska folii z polichlorku winylu, umieszczonego pod takim klinem, pozwala określić maksymalny zasięg elektronów i na tej podstawie obliczyć średnią energię elektronów (ryc. 3.).

W Instytucie Chemii i Techniki Jądrowej wykonano specjalne urządzenie do spektrofotometrycznego pomiaru absorbancji folii dozymetrycznych. Czytnik dawki CD-02 pozwala mierzyć paski z tworzyw sztucznych o długości od 0,5 do 5 m. Specjalny układ mechaniczny przesuwa dozymetr przed okienkiem spektrofotometru i w ten sposób mierzone jest osłabienie strumienia światła (stopień zaciemnienia tworzywa) przy wybranej długości fali. Program przelicza automatycznie wartość absorbancji na dawkę pochłoniętego promieniowania, która jest wyświetlana w postaci wykresu na ekranie monitora.

Średnia energia elektronów może być określona ze wzoru:

E₀=5,09 Rp + 0,200 (MeV)

gdzie Rp jest praktycznym zasięgiem w centymetrach, otrzymanym przez ekstrapolację prostoliniowego odcinka dawki głębinowej w aluminium.

WSKAŹNIKI (INDYKATORY) DAWKI STERYLIZACYJNEJ
Aby zapobiec możliwości pomyłki w trakcie przemysłowej sterylizacji wyrobów napromienionych z nienapromienionymi, nakleja się na opakowania wskaźniki, które w wyniku obróbki radiacyjnej zmieniają wyraźnie barwę. W Polsce stosuje się handlowo dostępne indykatory dawki produkcji węgierskiej pod nazwą fabryczną Megaray S. Zmieniają one barwę z żółtawej na ciemnofioletową. Wyraźna zmiana koloru ma miejsce począwszy od dawki 5 kGy. Mechanizm zjawiska jest prosty – nalepiona na samoprzylepne podłoże folia PCV zawiera zdyspergowany barwnik organiczny, który zmienia barwę pod wpływem radiolitycznie wytwarzanego chlorowodoru (podobnie jak papierki lakmusowe reagujące zmianą barwy na zakwaszenie roztworu).

ZAKOŃCZENIE
Autorzy mają nadzieję, że interdyscyplinarne potraktowanie zagadnienia dozymetrii promieniowania elektronowego okaże się interesujące dla środowiska medycznego, a w szczególności dla zatrudnionych w zakładach medycyny nuklearnej inspektorów ochrony radiologicznej. Warto dodać, że rozwijana w IChTJ technika elektronowego rezonansu paramagnetycznego była wykorzystana do określenia wielkości dawki promieniowania, jaką otrzymały pacjentki w trakcie awaryjnej pracy akceleratora Neptun 10 w szpitalu w Białymstoku [7]. Na koniec można jeszcze wspomnieć o zupełnie nowej generacji cienkich dozymetrów alaninowych, opracowanych przez INST we współpracy z firmą Bruker. Nowością jest wciągnięcie do współpracy firmy fototechnicznej KODAK, u której, jako u właściwych specjalistów, zamówiono opracowanie emulsji dozymetrycznej [8].
PIŚMIENNICTWO
1. Głuszewski W, Zagórski ZP. Sterylizacja radiacyjna wyrobów medycznych. Współcz Onkol 2003; 10 (7): 787-90.
2. Panta PP. Początki sterylizacji przeszczepów kostnych w Polsce promieniowaniem gamma z rdzenia wyłączonego reaktora jądrowego. Jubileuszowa monografia – Przeszczep w walce z kalectwem. Akademia Medyczna w Warszawie 2004; 87-94.
3. Głuszewski W. Radiacyjna modyfikacja właściwości poliakrylowych klejów samoprzylepnych. Postępy Techniki Jądrowej 2001; Z. 4: 62.
4. Zagórski ZP, Głuszewski W, Rzymski W. Radiacyjna modyfikacja polimerów. Plastics Review 2002; 7 (20): 23-8.
5. Proc. Sym. Standarts and Codes of Practice in Medical Radiation Dosimetry. Vienna 25-28 Nov. 2002, IAEA Vienna 2003.
6. American Society for Testing and Materials (ASTM) E 1631-96. Standard practice for use of calorimetric dosimetry systems for electron beam dose measurements and dosimeter calibrations. 1999.
7. Stachowicz W, Michalik J, Sadło J i wsp. Badanie metodą spektroskopii elektronowego rezonansu paramagnetycznego rodników oraz centrów paramagnetycznych powstających w tkankach szkieletowych pod wpływem promieniowania jonizującego. Jubileuszowa monografia – Przeszczep w walce z kalectwem. Akademia Medyczna w Warszawie 2004; 301-8.
8. Zagórski ZP. Sterylizacja radiacyjna sprzętu medycznego w świetle konferencji w latach 2002, 2003. Materiały VII Szkoły Sterylizacji i Higienizacji Radiacyjnej 2003; XIX: 1-5.
ADRES DO KORESPONDENCJI
mgr inż. Wojciech Głuszewski
Instytut Chemii i Techniki Jądrowej
ul. Dorodna 16
03-195 Warszawa
tel. +48 22 811 23 47
faks +48 22 811 15 32
e-mail: gluszew@ichtj.waw.pl