Радиационно-защитное хранилище для гамма-терапевтического аппарата

Радиационно-защитное хранилище для гамма-терапевтического аппарата

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для использования в гамма-терапевтических аппаратах в целях обеспечения радиационной защиты от гамма-излучения во время режима хранения источника излучения.

Из уровня техники известно радиационно-защитное хранилище для гамма-терапевтического аппарата, состоящее из секций, включающих криволинейные каналы для размещения источника, а также каналы для подачи транспортирующей среды (SU 326908, 05.04.1978).

Известное устройство представляет собой сложную конструкцию, включающую механизмы перемещения и фиксации источников, а также средства для контроля излучения. Наличие множества различных механизмов в конструкции хранилища значительно увеличивает его габариты. Также конструкция хранилища не позволяет уменьшить его габариты при замене источника на другой, обладающий меньшей энергией испускаемых гамма-квантов. Кроме того, устройство не достаточно надежно, поскольку большое количество различных каналов в известном устройстве, а именно канал для нажимного штока, канал для размещения источника, каналы для транспортирующей среды, значительно снижают защитные свойства хранилища, так как через них также происходит проникание ионизирующего излучения.

Из уровня техники известно радиационно-защитное хранилище для гамма-терапевтического аппарата, состоящее из разъемных функциональных и защитных сегментов цилиндрической формы, при этом каждый функциональный сегмент включает криволинейный канал для размещения источника, а стыковочные поверхности функциональных сегментов параллельны плоскостям, проходящим через оси каналов (SU 547985, 15.08.1978). В известном устройстве предусмотрено несколько отдельных функциональных секций для множества источников, что является причиной увеличения габаритов конструкции. Также при изготовлении секции с механизмом выборочной подачи двух источников, расчет габаритов такой секции должен производиться с учетом характеристик источника с максимальной энергией испускаемых гамма-квантов и его положения вне транспортировочного канала, когда он смещен от центра к цилиндрической поверхности секции. В таком случае для обеспечения необходимой толщины защитного слоя радиус этой секции будет увеличен на величину, равную расстоянию смещения источника от центра в нижнее положение. При этом диаметры совмещаемых функциональных и защитных секций в данной конструкции должны быть равны, что также означает вынужденное увеличение их габаритов. Кроме того, размещение в одной из секций механизма для выборочной подачи комбинаций источников, а также фиксирующие стяжки, выполненные снаружи защитных секций значительно увеличивают габариты известной конструкции. Для обеспечения доступа инструмента при изготовлении криволинейных каналов в функциональных секциях, а также для установки и закрепления в одной из них механизма выборочной подачи комбинаций источников, необходимо выполнение этих секций разъемными, что может не обеспечить достаточной защиты от ионизирующего излучения из-за наличия большого количества стыковочных поверхностей между деталями.

Из уровня техники известно радиационно-защитное хранилище для гамма-терапевтического аппарата, в котором выполнены криволинейные каналы и которое состоит из разъемных сегментов, включающих отверстия для элементов крепления друг с другом, причем разъемные сегменты выполнены в виде полуцилиндров, стыковочные поверхности которых параллельны плоскостям, проходящим через оси каналов. Известное устройство изготовлено компанией «Eckert & Ziegler BEBIG», информация о котором опубликована на сайте, https://www.youtube.com/watch?v=QL38b_Ay9Rg, 23.04.2015. В известной конструкции габариты хранилища уменьшены за счет выполнения отверстий для крепления непосредственно в разъемных сегментах, а направление каналов по оси хранилища исключает необходимость использования в конструкции дополнительных защитных секций. Поскольку в данной области техники существует требование радиационной безопасности, исходя из этих требований, толщина защитного слоя хранилища должна обеспечивать соответствующий уровень защиты. Как следует из опубликованной информации, в известной конструкции источником с максимальной энергией испускаемых гамма-квантов является Со⁶⁰. Следовательно, расчет габаритов такой конструкции производился с учетом достаточной защиты от наиболее мощного источника излучения, а именно Со⁶⁰, как в радиальном, так и в осевом направлениях. Однако из-за того, что разъемные сегменты хранилища выполнены цельными, отсутствует возможность уменьшения габаритов хранилища в осевом направлении при использовании источника с меньшей энергией гамма-излучения. Также к недостаткам известной конструкции можно отнести то, что плоскости сопряжения двух разъемных сегментов проходят в непосредственной близости от транспортировочных каналов, создавая опасность проникновения ионизирующего излучения между совмещенными поверхностями двух полуцилиндров.

В качестве наиболее близкого аналога принято радиационно-защитное хранилище для гамма-терапевтического аппарата, в котором выполнены криволинейные каналы и которое состоит из разъемных сегментов, включающих отверстия для элементов крепления друг с другом, причем разъемные сегменты выполнены из свинца, в виде полуцилиндров, стыковочные поверхности которых параллельны плоскостям, проходящим через оси каналов (RU 139320, 10.04.2014, прототип). Прототип имеет те же недостатки, что и изделие, изготовленное компанией «Eckert & Ziegler BEBIG». Кроме того, использованный в качестве материала для изготовления хранилища свинец обладает не самыми лучшими показателями ослабления гамма-излучения по сравнению с некоторыми другими материалами. В связи с чем известная конструкция не позволяет максимально снизить ее габариты.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке компактного радиационно-защитного хранилища, обеспечивающего высокий уровень защиты при использовании любого, применяемого в брахитерапии, источника ионизирующего излучения, а также максимальную оптимизацию габаритов устройства при использовании разных источников.

Технический результат заключается в обеспечении максимального уменьшения габаритов устройства при использовании источников, обладающих разной энергией испускаемых гамма-квантов.

Дополнительный технический результат заключается в повышении защитных характеристик хранилища.

Достижение технических результатов обеспечивает радиационно-защитное хранилище для гамма-терапевтического аппарата, включающее цилиндрический корпус с выполненными в нем криволинейными каналами, проходящими в направлении оси хранилища, и состоящий из разъемных сегментов, характеризующееся тем, что корпус состоит, по меньшей мере, из трех сегментов, выполненных в виде неразрезных цилиндров, каждый из которых включает отверстия для крепления друг с другом, при этом разъемные цилиндры состыкованы в плоскостях, перпендикулярных оси хранилища и выполнены из вольфрамового сплава плотностью не менее 17,9 г/см³, причем в крайних разъемных цилиндрах выполнены прямолинейные каналы, параллельные оси хранилища, а в цилиндре, ограниченном крайними цилиндрами, выполнены криволинейные каналы, имеющие форму тангенсоиды, отверстия которых при стыковке цилиндров совпадают с отверстиями прямолинейных каналов.

Радиационно-защитное хранилище характеризуется тем, что криволинейные каналы образованы разборной вставкой, состоящей из трех пластин, причем в двух боковых пластинах противоположно друг другу выполнены криволинейные канавки, разделенные центральной пластиной.

Радиационно-защитное хранилище характеризуется тем, что в каналах размещены транспортировочные трубки, выполненные из металла или из сплава металлов.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показано радиационно-защитное хранилище в разобранном виде.

На фиг. 2 - разборная вставка радиационно-защитного хранилища в разобранном виде.

Радиационно-защитное хранилище для гамма-терапевтического аппарата включает цилиндрический корпус, состоящий из трех разъемных неразрезных цилиндров 1, 2, 3. В каждом цилиндре выполнено по два канала. Каналы предназначены для перемещения источников гамма-излучения. Также, согласно другому варианту изобретения первый канал может быть использован для перемещения источника, а второй для перемещения имитатора источника. В крайних цилиндрах 1, 3 выполнены прямолинейные каналы 4, параллельные их оси, а в цилиндре 2, ограниченном крайними цилиндрами 1, 3, выполнены криволинейные каналы 5, имеющие форму тангенсоиды. При совмещении цилиндров 1, 2, 3 по их стыковочным поверхностям отверстия выполненных в них каналов 4, 5 совпадают, образуя два канала для источника и имитатора источника, проходящие по всей протяженности хранилища, в направлении его оси. При этом криволинейные каналы 5 цилиндра 2 образованы разборной вставкой, состоящей из трех пластин 6, 7, 8. В двух боковых пластинах 6, 8 противоположно друг другу, выполнены криволинейные канавки 9, разделенные центральной пластиной 7. По всей протяженности каналов хранилища установлены транспортировочные трубки, выполненные из металла или из сплава металлов (не показаны). Разъемные цилиндры 1, 2, 3 включают отверстия 10 для элементов крепления друг с другом. На торцевых поверхностях двух крайних цилиндров 1, 3 выполнены резьбовые отверстия 11 для крепления исполнительных механизмов гамма-терапевтического аппарата (не показаны).

Поскольку вольфрам является одним из наиболее оптимальных материалов, обладающих радиационно-защитными свойствами, для изготовления изобретения используют вольфрамовый сплав плотностью не менее 17,9 г/см². В чистом виде вольфрам является достаточно хрупким металлом, что значительно затрудняет производство из него деталей сложной формы. Поэтому для производства радиационно-защитного хранилища используют материалы, состоящие на более чем 93% из вольфрамового порошка и сплава, включающего до 7% смеси таких металлов как, например, никель, железа, медь, что обеспечивает пластичность и обрабатываемость. Плотность материала с таким содержанием компонентов может составлять от 17,9 г/см³. Для расчета габаритов заявленного устройства необходимо рассчитать величину защиты. При оценке величины защиты от гамма-излучения применена универсальная таблица [1], вычисленная на основании теории ослабления в веществе широкого пучка гамма-излучения от точечного источника. Обозначим: k - кратность ослабления гамма-излучения, которая представляет собой отношение измеренной или рассчитанной экспозиционной дозы X (мощности экспозиционной дозы ) без защиты к предельно допустимой экспозиционной дозе Х_ПДДА () в той же точке за защитным экраном толщиной х; k определяется по формуле

При определении по универсальным таблицам необходимой толщины защиты данного материала х, см, следует знать энергию гамма-излучения Еγ, МэВ, и кратность ослабления k [4].

В качестве источника ионизирующего излучения используется источник Со⁶⁰ активностью 74 ГБк (Е_γ=1,25 МэВ). В качестве материала защиты использован вольфрамовый сплав ВНЖ номинальной плотностью 18 г/см³. Поскольку этот материал представляет собой композит, в котором зерна чистого вольфрама, «склеены» небольшим количеством железоникелевого сплава, то поправка на атомный номер не вводилась, а пересчет проводился лишь по плотности материала.

Для определения кратности ослабления необходимо определить мощность экспозиционной дозы для незащищенного источника на расстоянии 1 м.

Согласно формуле 1 и указанному техническому требованию о величине мощности эквивалентной дозы на расстоянии 1 м от любой части поверхности хранилища в 10 мкЗв/ч

Таким образом, согласно [1] толщина защиты для требуемого источника ионизирующего излучения должна составлять не менее 8,6 см.

Также наряду с методом расчета защиты от ионизирующего излучения по универсальным таблицам применяют метод расчета по слою половинного ослабления [3, 4]. Слой половинного ослабления Δ_1/2 показывает толщину защиты, которая ослабляет дозу излучения (плотность потока энергии, плотность потока частиц и т.д.) в k раз. Если пользоваться для расчетов толщины защиты значением слоев половинного ослабления Δ_1/2, то для требуемой кратности ослабления излучения защитой k можно определить необходимое число слоев половинного ослабления n из выражения

Тогда толщина защиты

Таким образом, согласно рассчитанной выше кратности ослабления k=2268 необходимое количество слоев половинного ослабления составляет

n=log₂ k=log₂ 2268≈11

Согласно [2] величина слоя половинного ослабления от источника ионизирующего излучения Со⁶⁰ для сплавов из вольфрама составляет 0,8 см, а для свинца 1,2 см. Таким образом, толщина защиты для требуемого источника ионизирующего излучения для вольфрамового сплава должна составлять не менее 8,8 см, а для свинца не менее 13,2 см.

Приведенные выше оценочные расчеты показывают, что выбранный материал изделия позволяет существенно снизить габариты изделия в радиальном и осевом направлениях по сравнению с прототипом.

При помощи приведенных расчетов вычисляют толщину защиты, обеспечиваемую стенками хранилища во всех направления от источника, обладающего максимально высокой энергией гамма-излучения. Для уменьшения габаритов хранилища при использовании источников с меньшей энергией гамма-излучения вычисляют необходимую толщину защиты в осевых направлениях для крайних цилиндров 1, 3. За счет того, что цилиндры 1, 2, 3 выполнены разъемными и состыкованы в плоскостях, перпендикулярных оси хранилища, цилиндры 1, 3 могут быть заменены на цилиндры с меньшими габаритами в осевом направлении в зависимости от используемого источника. Таким образом, при использовании любого из источников с разной энергией гамма-излучения заявленная конструкция обеспечивает минимизацию габаритов хранилища.

В защитных хранилищах наиболее радиационно нагруженным местом является область хранения источника, которое в изобретении расположено в центре неразрезного цилиндра 2 с криволинейными каналами, что в отличие от прототипа обеспечивает большую степень защиты от ионизирующего излучения. Цельный неразрезной цилиндр защищает от ионизирующего излучения в радиальном направлении, а криволинейные каналы в осевом. В прототипе защита в радиальном направлении ниже из-за линии сопряжения разъемных сегментов, проходящей вдоль каналов по всей длине хранилища. Также, в заявленном устройстве обеспечивается лучшая защита от излучения по торцам изделия за счет плотной установки транспортировочных трубок в круглых каналах крайних цилиндров. В прототипе выполнение каналов под транспортировочные трубки с круглым сечением затруднено ввиду его конструкции, в связи с чем, круглые трубки, разделенные распорной пластиной, устанавливаются в прямоугольные канавки, образуя зазоры между поверхностями трубок, распорных пластин и каналов. При сборке заявленной конструкции из деталей, прошедших финишную обработку, три пластины разборной вставки складывают таким образом, чтобы две боковые пластины были противоположно направлены криволинейными канавками друг к другу и разделены центральной пластиной. Собранные таким образом пластины устанавливают в прямоугольное отверстие центрального цилиндра 2. Крайние цилиндры 1, 3 совмещают с центральным цилиндром 2, обеспечивая совпадение отверстий прямых и криволинейных каналов во всех цилиндрах и стягивают их через отверстия 10 при помощи крепежных элементов. Наличие отверстий 10, выполненных непосредственно в цилиндрах, исключает использование дополнительных стяжек, что также влияет на уменьшение габаритов изделия. Таким образом, при использовании источников, обладающих разной энергией испускаемых гамма-квантов, обеспечено максимальное уменьшение габаритов устройства, а также повышены защитные характеристики хранилища.

Источники информации

В.П. Машкович, А.В. Кудрявцева. Защита от ионизирующего излучения. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1995, [1].

http://libraryno.ru/8-1-3-zaschitnye-konstrukcii-gamma-defektoskopov-radiac_bezop/, [2].

http://chemanalytica.com/book/novyy_spravochnik_khimika_i_tekhnologa/11_radio aktivnye_veshchestva_vrednye_veshchestva_gigienicheskie_normativy/5115, [3].

Л.Д. Зарипова. Защита от ионизированного излучения. Методическое пособие. Казань: Изд-во Казанск. гос. ун-та, 2008. http://kpfu.ru/docs/F1516047086/defence.pdf, [4].

1. Радиационно-защитное хранилище для гамма-терапевтического аппарата, включающее цилиндрический корпус с выполненными в нем криволинейными каналами, проходящими в направлении оси хранилища, и состоящий из разъемных сегментов, отличающееся тем, что корпус состоит по меньшей мере из трех сегментов, выполненных в виде неразрезных цилиндров, каждый из которых включает отверстия для крепления друг с другом, при этом разъемные цилиндры состыкованы в плоскостях, перпендикулярных оси хранилища и выполнены из вольфрамового сплава плотностью не менее 17,9 г/см³, причем в крайних разъемных цилиндрах выполнены прямолинейные каналы, параллельные оси хранилища, а в цилиндре, ограниченном крайними цилиндрами, выполнены криволинейные каналы, имеющие форму тангенсоиды, отверстия которых совпадают при стыковке цилиндров с отверстиями прямолинейных каналов.

2. Радиационно-защитное хранилище по п. 1, отличающееся тем, что криволинейные каналы образованы разборной вставкой, состоящей из трех пластин, причем в двух боковых пластинах противоположно друг другу выполнены криволинейные канавки, разделенные центральной пластиной.

3. Радиационно-защитное хранилище по п. 1, отличающееся тем, что в каналах размещены транспортировочные трубки, выполненные из металла или из сплава металлов.