DETEKCIJA I MERENJE JONIZUJUĆEG ZRAČENJA

Radijacioni detektorski instrumenti su uređaji koji nam omogućavaju da detekcijom zračenja u toku akcidenta odredimo intezitet radijacionih polja i veličinu kontaminacije ljudi, životinja, predmeta i okoline.

U prvom redu su nam potrebni oni radijacioni instrumenti koji mere alfa, beta i gama zračenja. Rad svih detektora i merenje radijacije se svodi na mogućnost detektovanja interakcije zračenja s ma-terijom. Prolazeći kroz materiju zračenje prenosi deo energije na nju, i proizvodi određeni efekat u toj sredini. Osnovni princip detekcije zračenja je zasnovan na pojavi i posmatranju tog efekta. Teorijski, svi efekti koji se dese mogu se koristiti za detekciju zračenja, a u praksi se mogu podeliti na:

− jonizaciju gasa (gasni detektori) ili neke hemijske supstance koja je transformisana zbog zračenja (fotografski i hemijski detektori);

− eksitacije u scintilatorima ili poluprovodnicima (scintilacioni brojači, poluprovodnički detektori);− stvaranje strukturnih defekata prolazom zračenja (termoluminiscentni i radioluminiscentni detek-

tori);− podizanje temperature (kalorimetri).

Za merenje alfa zračenja potrebni su posebni uređaji koji su skupi i mere samo specifična alfa zračenje po dometu i intenzitetu.

Ukoliko ih nema u bolnicama, pošto većina alfa emitera (plutonijum npr.) ima dovoljno niskoe-nergetskih X-zraka, ti se alfa emiteri mogu sasvim pogodno detektovati beta i gama detektorima.

Beta zračenje se totalnom apsorpcijom pretvori u nekoliko hiljada jonskih parova (npr. jedna beta čestica od 100 keV pretvori se u 3 000 jonskih parova) koji su pogodni za prikupljanje u radijaci-onim detektorima. Osnovne karakteristike svih detektora su vezane za vrstu zračenja i opsege energija koje mogu da mere, zatim fizičke karakteristike koje ga određuju, kao osetljivost i rezolucija (koje su obično u suprotnosti; uređaj veće osetljivosti ima lošiju rezoluciju i obrnuto). Svi se biraju u cilju izbo-ra datog detektora kao najboljeg za merenje polja zračenja ili kontaminacije ljudi i površina.

2. INSTRUMENTI ZASNOVANI NA JONIZACIJI GASA

Instrumenti zasnovani na jonizaciji gaso-va sastoje se od dve elektrode, anode i katode, smeštene u sud koji sadrži gas (Sl. 21). Između elektroda postoji potencijalna razlika koja do-zvoljava merenje struje mernim uređajem. U odsustvu bilo kakve jonizacije, uprkos razlici potencijala, ne postoji struja koja prolazi kroz brojač. Međutim, prolaskom fotona ili čestica, koji prođu kroz tanku ulaznu foliju na prozoru detektora, i ukoliko imaju energiju veću od 35 Sl. 21.− Detektori zasnovani na jonizaciji gasova

eV, koja je potrebna za stvaranje jednog para jona, između elektroda se proizvodi veliki broj jona na tom putu. Oni bivaju zahvaćeni od strane elektroda, što dovodi do razmeštaja naelektrisanja i stvaranja elek-trične struje koja se detektuje na mernom uređaju.

Detekcija beta i gama zračenja najčešće se vrši istim uređajem, a isto tako obe vrste zračenja su moguća i najčešće se zajednički dešavaju u akcidentu, zbog toga bolnice treba da imaju instrumente koji će pogodno meriti beta i gama zračenja istovremeno, kao što su detektori zasnovani na jonizaciji gasova. Osnovne karakteristike uređaja ove grupe dati su u Tab. 8.

Tabela 8 Poređenje različitih detektora zasnovanih na jonizaciji gasova

DetektoriDetektovane

česticeMrtvo vreme

(µs)

Maksimalna brzina brojanja

(s-1)Jonizaciona komora α, β, γ 1 − 10 104 − 105

Proporcionalni brojač X, α, β 1 − 10 104 − 105

Gajger − Milerov brojač X, γ 100 2 − 3 103

2.1. JONIZACIONA KOMORA

U radu jonizacionih komora registrovani broj impulsa direktno je proporcionalan intezitetu upadnog zračenja jer jonizirane čestice nemaju dovoljno energije da same izazovu jonizacije gasa (po-dručje A, Sl. 22).

Jed nostrana

jonizacijaPoja anje napona~

Poja anje~gasa

A B C D E

Alfa

Beta

G am a

Aku

mu

lisan

o n

aele

ktr

isan

je

N apon

Sl. 22. − Zavisnost akumulisanog naelektrisanja, struje, u zavisnosti od potencijalne razlike, odnosno ulaznog napona

Jonizacione komore imaju široki opseg detekcije zračenja, detektuju alfa, beta i gama zračenje i široko se koriste u industriji, medicini i zaštiti od zračenja. Prvenstveno treba koristiti jonizacione ko-more ako se očekuje visoki nivo zračenja, jer mogu meriti u poljima zračenja gde su jačine doze od nekoliko µSv do nekoliko desetina Sv na sat. Njihov problem je što imaju vrlo spor odziv, odnosno vreme odgovora je nekoliko sekundi, tako da se moraju polako pomerati iznad merne površine. To je zato što im je vrlo mala osetljivost na gama i X-zračenje, samo 1% njih izazove jonizaciju u gasu. Jo-nizacione komore imaju tanak prozor, zaštićen plastičnim poklopcem, koji se skida jedino kad se meri beta kontaminacija.

Jonizacione komore se najčešće koriste u nuklearnoj medicini kao merači aktivnosti, tzv. doze kalibratori, zatim kao razni monitori kontaminacije sa analognim ili digitalnim očitavanjem apsorbovane doze ili jačine apsorbovane doze, ili kao merači doza u radioterapijskim merenjima za planiranje terapija (Sl. 23).

2

a) b) c)

Sl. 23.− Jonizaciona komora, a) punjenje elektroda, b) izlaganje zračenju, c) očitavanje ra-zlike potencijala. Mere u Ckg-1.

2.2. PROPORCIONALNI BROJAČI

Povećanjem napona, razlike potencijala između elektroda, joni u komori dobijaju individulane energije i u gasu dolazi do pojačanja signala (područje B, Sl. 22). To je područje rada proporcionalnih brojača.

Najvažnija prednost proporcionalnih brojača nad jonizacionim komorama je u tome što imaju jači signal, osim toga oni omogućavaju razlikovanje pojedinih vrsta zračenja što im je prednost nad Gajger-Milerovim brojačima.

2.3. GAJGER-MILEROV BROJAČ

Daljim povećanjem ulaznog napona dolazi se u područje ograničene proporcionalnosti (područje C, Sl. 22) u kom dolazi do zasićenja, struja ostaje ista nezavisna od vrste zračenja pa i nadalje praktično osta-je konstantna, nezavisna od ulaznog napona. To je područje rada Gajger-Milerovih brojača (područje D, Sl. 22).

Gajger-Milerov (GM) brojač se sastoji od omotača od metala ili stakla sa provodnim mate-rijalom i sa centralnom žicom (anodom) na visokom naponu. (Sl. 24). Svaka primarna jonizacija proizvedena je prolaskom jonizujuće čestice.

GM brojač je instrument izbora za merenje kontaminacije i za detektovanje vrlo malih inten-ziteta zračenja ili malih količina radioaktivnog materijala. GM brojač se sastoji od gasa pod priti-skom u zatvorenoj cevi. Ima brz odgovor i relativno nisku cenu. Većina ima poklopac preko tankog prozora tako da može da se koristi i za merenje beta zračenja kad se on ukloni. Maksimalan opseg mu može biti različit. Osnovna namena mu je, dakle, da se njim vrši merenje kontaminacije.

Skaler

I negrator

H V

H V

H V

H H

H

PP

PP -- pretpoja iva~ ~H V -- visoki napon

Sl. 24. − Gajger-Milerov brojač

Pre nego što se počne merenje, najvažnije je utvrditi da li su uređaji ispravni, što se prvo postiže proverom ispravnosti baterija. Postavi se prekidač u položaj za kontrolu baterija, ako su iste u redu, kazaljka će imati maksimalan otklon. Ako su baterije ispravne, uređaj se zatim postavi u najmanji op-seg merenja, i spreman je za upotrebu. GM brojači obično imaju kontrolne radioaktivne izvore kojima se može kontrolisati njihov odziv za dati izvor. Svako povećano merenje sa GM brojačem ukazuje na

3

kontaminaciju, a ako brojač pokazuje dva do tri puta veće zračenje nego osnovno zračenje, tada je u pitanju kontaminacija površine, ili lica, koji se njim mere. Pri tome se pod osnovnim zračenjem ili fo-nom, smatra ono zračenje koje meri dati detektorski uređaj bez prisustva bilo kog radioaktivnog izvo-ra. Kontaminacija obično ukazuje na prisustvo otvorenih i neželjenih radionuklida, ali može se meriti i zračenje iz zatvorenih izvora, kao što su oni koji se koriste u industrijskoj radiografiji. Ukoliko postoji polje zračenja, nemoguće je ili je teško meriti kontaminaciju pacijenta, te se prvo mora pacijent izme-stiti iz polja zračenja, a potom pristupiti merenju kontaminacije. Detektor se može postaviti u plastičnu kesu da se ne bi sam detektor kontaminirao. Obično je bolje ne koristiti zvučni signal zbog psiholo-škog uticaja eventualnog pojačanog zvuka, odnosno pojačane kontaminacije na pacijenta.

3. SCINTILACIONI DETEKTOR

Scintilacioni detektori su mnogo skuplji od prethodna dva tipa detektora. Njihova glavna pred-nost je što mogu odrediti energiju zračenja, što je vrlo značajno za određivanje vrste radionuklida, i što su za red veličine osetljiviji od GM brojača. Za merenje interne kontaminacije lica najčešće se koriste već postojeći uređaji nuklearne medicine, koji koriste scintilacione detektore, kao što su uređaj za test−fiksacije i gama kamera. Takođe se nalaze i kao detektori u meraču aktivnosti celog tela (Whole Body Counter−WBC).

Ovi detektori koriste osobinu koju poseduju neke supstance da emituju vidljivu ili ultravioletnu svetlost pod dejstvom zračenja. Sastoje se od scintilatora optički spregnutog sa fotomultiplikatorom i elektronskog dela.

Scintilator pretvara upadno zračenje u fotone svetlosti određene talasne dužine (obično između 300 i 500 nm), pri čemu je intenzitet svetlosti proporcionalan upadnoj energiji zračenja. Postoji neko-liko vrsta scintilatora:

− mineralni (zink sulfidi, aktivirani srebrom − za detekciju čestica; jodidi natrijuma, kalcijuma, cezijuma, ili litijuma, uvek aktivirani talijumom − za detekciju gama zračenja);

− organski scintilatori, (monokristali antracena, stilbena ili naftalena);− fluoroscentne organske komponente inkorporirane u neku plastičnu materiju, koja se primarno

koristi za detekciju gama zračenja: polistiren, antracen;− tečni scintilacioni, diluirani rastvor neke fluoroscentne organske komponente u odgovarajućem

rastvoru koji odgovara fizičkim karakteristikama uzorka (ksilen, diokson, naftalen). Uzorak je pomešan sa scintilacionim rastvorom da ne bi došlo do gubitaka brojanja zbog samoapsorcije u izvoru. Tečni scintilatori služe specijalno za detekciju nisko energetskih beta zračenja (tricijum-3, ugljenik-14).

U slučaju detekcije alfa i beta čestica, one se apsorbuju u scintilatoru eksitacijom i jonizacijom atoma sredine. Njihova deeksitacija se skoro istovremeno ostvaruje emisijom fotona svetlosti koji ka-rakterišu dati scintilator.

U slučaju detekcije gama i X-zračenja, koji bivaju apsorbovani u scintilatoru (natrijum jodid-nom kristalu), njihova energija, ili deo energije, prenese se na sekundarni elektron koji gubi energiju jonizacijom i eksitacijom atoma scintilatora. Ako elektron završi njegov put u scintilatoru, sva energija upadnog fotona je apsorbovana u scintilatoru. Intenzitet svetlosti nastale u scintilatoru je proporciona-lan energiji upadnog gama zračenja. U slučaju da je foton apsorbovan Komptonovim rasejanjem, pa kada rasejani foton izađe iz kristala, a Komptonov elektron završi njegov put u kristalu, intenzitet scin-tilacija je proporcionalan energiji Komptonovog elektrona. Tako scintilacije prate jedna drugu i kasni-je bivaju pomoću fotomultiplikatora pretvorene u električni signal.

3.1. KARAKTERISTIKE SCINTILATORA

Efikasnost detekcije scintilatora definiše se kao odnos broja detektovanih fotona sa brojem upadnih fotona. Ona se povećava sa povećanjem zapremine detektora i sa njegovim atomskim brojem.

Efikasnost konverzije energije scintilatora se definiše kao odnos energije svetlosti koja napušta scintilator i energije deponovane od strane upadnog fotona. Treba da bude što je moguće veća.

4

Scintilatori proizvode scintilacije čiji je intezitet proporcionalan energiji upadnog zračenja (ene-rgetska linearnost), što znači da je efikasnost scintilacija nezavisna od energije detektovanih fotona.

Disperzioni efekat scintilatora je karakteristika fluktuacija intenziteta scintilacija i postoji čak i u slučaju monoenergetskih fotona koji deponuju svu svoju energiju u kristalu.

Scintilacije emitovane od strane scintilatora imaju spektar koji je karakterisan talasnom dužinom koja odgovara maksimumu emisije i punoj širini na poluvisini maksimuma (Full Width Half Maxi-mum−FWHM) emisionog spektra. Emisioni spektar mora biti delom prilagođen apsorpcionom spektru fo-tokatode na fotomulitplikatoru. Natrijumjodni kristali, aktivirani talijumom, imaju dobre podešenost iz-među ova dva spektra.

Trajanje scintilacija je karakterisano vremenskom konstantom.

3.2. FOTOMULTIPLIKATOR

Scintilator je optički spregnut sa foto-multiplikatorom tankim slojem silikonskog ulja, koji garantuje transparentnost svetlo-snog signala iz scintilatora u fotomultiplika-tor bez varijacija indeksa refrakcije. Ako je scintilator udaljen od fotomultiplikatora, sve-tlost se prenosi putem svetlovoda od kvarca ili pleksiglasa. Fotomultiplkator pretvara sve-tlost u električne signale. Prvo se fotoni sve-tlosti transformišu u elektrone na fotokatodi. Niz dinoda (elektroda fotomultiplikatora) umnožavaju broj elektrona emitovanih sa fo-tokatode (Sl. 25). Svaka dinoda otpušta dva tri elektrona na jedan koji prima. Na anodi fotomultiplikatora skupljaju se elektroni sa poslednje dinode. Električni signal se pretva-ra u napon čija je amplituda proporcionalna količini elektriciteta skupljenog na anodi, ko-ji je proporcionalan intenzitetu scintilacija, a one energiji upadnih fotona.

3.3. ELEKTRONIKA SCINTILACIONOG BROJAČKOG SISTEMA

Elektronika scintilacionog brojačkog sistema, data na Sl. 26, a sastoji se od visokog napona, pretpoja-čivača, linearnog pojačivača, jednokanalnog analizatora, višekanalnog analizatora i brojačkog uređaja.

Visoki napon

PP

PM F

L inearni

poja iva~ ~

D iskrim inator

gornjeg praga

D iskrim inator

d onjeg praga

Antikoicid entno

kolo

Broja~Prozor

Prag

E 1

E 2

Sl. 26. − Elektronika scintilacionog brojačkog sistema

Signal

C

R

200

400

600

800

Visoki

napon

K ristal

N aJ

Anod e

D inod e

Fotokatod a

Sl. 25. − Scintilacioni detektor

5

Visoki napon snabdeva fotomultiplikator sa 1 000 do 2 000 V naponom, čija stabilnost mora bi-ti bolja od 0,1%. Pretpojačivač obezbeđuje podešavanje izlazne otpornosti između detektora i pojači-vača. Kad impuls ide kroz duge koaksijalne kablove, mora se sprečiti slabljenje i deformacija signala. Linearni pojačivač pojačava signale sa nekoliko mV na nekoliko V.

Jednokanalni analizator ili amplitudni selektor sadrži dva diskriminatora i jedno antikoincidentno kolo. Kroz jedan od diskriminatora prolaze svi signali čija je amplituda iznad izabranog praga. Ukoliko se detektuju svi signali iznad tog praga to se zove integralni način detekcije. Kroz drugi diskriminator prođu impulsi čija je energija ispod amplitude gornjeg praga. Impulsi koji prođu oba diskriminatora idu u antiko-incidentno kolo, i to se zove diferencijalni način detekcije. Razlika između gornjeg i donjeg praga zove se prozor detekcije. Impulsi koji su iznad oba praga su u koincidenciji i neće biti detektovani. Višekanalni analizatori imaju veliki broj kanala od 128 do 1 024 ili više.

3.4. KARAKTERISTIKE SCINTILACIONOG DETEKTORA

Mrtvo vreme scintilacionog detektora definiše se kao najmanji interval potreban da se razdvoje dva događaja, tako da se mogu posebno detektovati. Ono je u funkciji karakteristika scintilacionog de-tektora, kao što su: vremenska konstanta scintilacije, geometrija dinoda u fotomultiplikatoru, prisustvo ili odsustvo scintilacije, vrsta pojačivača i analizatora i dr.

Električno kolo na kraju fotomultiplikatora ima vremensku konstantu τ, koja je proizvod električne otpornosti R i kapaciteta C. Oblik izlaznog signala i njegovo trajanje su funkcije odno-sa vremenske konstante i scintilacije. Ako se smanjuje RC, takođe se smanjuje dužina signala, kao i visina impulsa. Za dati brojački uređaj, što je kraće mrtvo vreme to je moguće postići veću brzi-nu brojanja.

B

A

Meren

i bro

j im

pu

lsa

Stvarni broj im pulsa

Sl. 27. − Zavisnost merenog broja impulsa od stvarnog broja impulsa

Sa odgovarajućom elektronikom scintilacionog mernog uređaja izmereni broj impulsa u funkciji od stvarnog boja impulsa, mogu imati više različitih oblika krivih (Sl. 27). Sve te krive se dele na dva moguća sistema, nazvani parazitni (A) i neparazitni (B), oba imaju namene u različitim merenjima. Podešavanja se vrše tako da brzina brojanja bude odgovarajuća datom merenju. Mrtvo vreme scintila-cionih detektora je mnogo kraće nego kod GM brojača (manje je od 1µs i može biti i oko 1 ps). Zbog toga se sa njim mogu meriti mnogo veće aktivnosti nego sa GM brojačem, pa se može izmeridi i do nekoliko stotina hiljada impulsa u sekundi.

3.4.1. Osnovna aktivnost scintilacionog detektora

Osnovna aktivnost, koja se naziva i fon, ili bekgraund, je aktivnost koju meri dati detektor bez prisustva radionuklida. Kao i kod GM brojača, uglavnom nastaje zbog aktivnosti sredine i kosmičkog zračenja. Međutim, kod scintilacionih detektora može doći i do spontane emisije elektrona na fotoka-todi i drugim elektrodama. Ovo daje male signale, koji se zovu električni šum uređaja i mogu se sabra-

6

ti sa merenjima niskih energija zračenja. Znači da je izmerena osnovna aktivnost za niže energije dale-ko veća od stvarne i predstavlja zbir šuma uređaja i osnovne aktivnosti sredine.

3.4.2. Efikasnost scintilacionog detektora

Efikasnost GM brojača merenja gama zračenja je 1%, dok je ista efikasnost kod scintilacionih detektora između 20 do 60%. Zbog toga se scintilacioni detektori češće koriste u detekciji gama zrače-nja. Zato su poželjni za in vivo merenja u radijacionim akcidentima.

3.4.3. Energetska rezolucija

Energetska rezolucija je odnos 100 ∆E/E (%), gde je: ∆E širina impulsa na poluvisini mak-simuma, a E energija na maksimumu fotopika (Sl. 28).

Širina pika je primarno karakteristika detektora, a indirektno i elektronike. Rezolucija de-tektora je direktno vezana za mogućnost razlikovanja gama i X-zračenja različitih energija, i ona se povećava što je širina pika relativno manja. Obično se scintilacioni detektori porede na osnovu energetske rezolucije za Cs-137 (fotopik mu je na 662 keV), koja ne sme biti veća od 7−9%.

Rela

tivn

i b

ro

j im

pu

lsa

M aksim alna visina

1 /2 M aks.

visine

Sl. 28. − Energetska rezolucija

3.4.4. Prostorna rezolucija

Za scintilacione detektore koji se koriste u nuklearnoj medicini za slikanje prostorne raspodele aktivnosti radiofarmaka u ispitivanom organu (gama kamere) prostorna rezolucija je osnovni parametar.

Prostorna rezolucija je minimalno rastojanje između dva linijska izvora zračenja, pri kojoj se oni još uvek mogu detektovati kao odvojeni izvori zračenja. Za savremene gama kamere ona iznosi oko nekoliko milimetara (između 3 i 4 mm) i može se meriti na nekoliko načina (Sl. 29).

50

1 00

%

Prostorna rezolucija

Puna {irina na pola

m aksim um a

R astojanje

Sl. 29. − Prostorna rezolucija

7

3.4.5. Minimalna detektibilna aktivnost

Minimalna detektibilna aktivnost (MDA) je jedan od značajnih parametara mernog uređaja, po-sebno u akcidentalnim merenjima aktivnosti. Njime se određuje koju minimalnu aktivnost može izme-riti dati detektorski sistem za radionuklide određenih vrsta i energija zračenja. Određuju se dakle gra-nice detekcije tog uređaja, odnosno njegov donji prag detektibilnosti (Tab. 9).

Tabela 9

Minimalna detektibilna aktivnost za gama kameru i merač aktivnosti celog tela (WBC) za ra-zličite radionuklide, u vazduhu i tkivno ekv. materijalu (tem)

Radionuklid Gama kamera WBC

vazduh

(Bq)

tem

(Bq)

vazduh

(Bq)

Tc-99m 24 54 4

J-131 26 56 4

Osiromašeni uran 61 90 −

3.5. OSNOVNI TIPOVI SCINTILACIONIH DETEKTORA

3.5.1. Brojači sa šupljim kristalom

Brojači sa šupljim kristalom se sastoje od natrijumjodidnog scintilacionog kristala, aktiviranog talijumom, sa šupljinom u koju se stavljaju epruvete sa uzorcima. Efikasnost brojanja ovih detektora je vrlo visoka jer brojač prima skoro sve fotone koji se inače emituju u svim pravcima, zato se zovu i 4π brojači. Koriste se primarno u radiohematologiji, kada se mala aktivnost daje pacijentu in vivo, a posle se uzimaju uzorci krvi i vrše merenja, te je potrebna vrlo velika efikasnost brojanja. Koriste se i u radi-oimunološkim laboratorijama, u obliku automatskih sistema, ili sistema sa više detektora, a za merenje velikog broja in vitro uzoraka.

3.5.2. Tečni scintilacioni brojači

Tečni scintilacioni brojači mere beta emitere niskih energija. Njihova osnovna aktivnost se vrlo niska, uzorak je pomešan sa scintilatorom, i koriste dva fotomultiplikatora u koincidenciji.

3.5.3. Merači aktivnosti celog tela

Merači aktivnosti celog tela su sastavljeni od nekoliko detektora, koji su fiksni ili pokretni. Oba-vezno se sastoje od scintilacionih, a mogu da imaju i poluprovodničke detektore. Svi detektori su po-stavljeni oko pacijenata koji leže, ili sede u stolici, ili stoje, što je definisano tipom merenja. Obično su zaštićeni olovom ili drugim materijalima koji imaju malu sopstvenu radioaktivnost i veliku moć zaštite od kosmičkog zračenja i drugih zračenja iz okoline. Imaju debele i velike scintilatorske kristale zbog što veće efikasnosti.

Dobar merač aktivnosti celog tela mora da zadovolji sledeće zahteve:− visoku geometrijsku efikasnost detektora;− dobru osetljivost u velikom opsegu energija (č 10 keV do 3MeV);− vrlo nisko i stabilno osnovno zračenje − fon;− dobru energetsku i prostornu rezoluciju uz mogućnost in vivo spektroskopije;− kalibracione faktore za široki spektar radionuklida u raznim distribucijama u telu.

Koriste se u in vivo merenjima, kod interne kontaminacije u radijacionom akcidentu, kao i u ne-kim kliničkim metaboličkim studijama kada se meri sopstvena aktivnost tela. U kliničkim terapijskim studijama koriste se radi merenja aktivnosti primenjenog terapijskog radionuklida u celom telu, i ak-tivnosti istog nuklida u tumoru, kao i radi praćenja odnosa između te dve aktivnosti u vremenu, na os-novu čega se prati efikasnost primenjene radionuklidne terapije (retencija radionuklida).

8

3.5.4. Rektilinearni skeneri

Rektilinearni skeneri su uređaji koji se sastoje od kolimisanog scintilacionog detektora i mernog uređaja. Kolimacija se izvodi kolimatorom sa jednim ili više otvora. Ceo sistem je pokretan i kreće se konstantnom brzinom iznad regiona koji se ispituje. Lokalna gustina tačaka koja se registruje na papi-ru je u direktnoj funkciji sa brojem fotona koji se emituju u zapremini koju vidi detektor. Ovakva vr-sta uređaja je skoro potpuno izvan upotrebe i koristi se još samo ponegde za snimanje malih organa, kao što je štitasta žlezda. Ukoliko bude dostupan, može biti od koristi posebno u kritičnom akcidentu za in vivo merenja aktivnosti joda.

3.5.5. Gama kamere

Hal Anger 1956. godine pronalazi uređaj koji može istovremeno da detektuje prostornu raspo-delu radioaktivnosti i omogućava praćenje njenih vremenskih promena, odnosno kinetiku radiofar-maka. Ovakav uređaj dobija ime gama kamera, i ona postaje osnovni i najšire korišćeni uređaj nu-klearne medicine. Scintilacioni kristal, natrijumjodid aktiviran talijumom, prečnika od 20 do 40 cm i debljine od 0,5 do 1,5 cm spreže se optičkom spregom sa većim brojem fotomultiplikatora (od 27 do 100). Foton iz regije koja se ispituje biva apsorbovan u kristalu gde se stvara svetlost u prečniku od 25 µm. Svetlost prolazi kroz kristal i širi se u prečniku od oko 10 cm, koju vidi nekoliko fotomulti-plikatora. Signal iz fotomultiplikatora se pojačava i u elektronskom kolu se generišu tri signala: Z signal, koji je proporcionalan energiji fotona i nezavisan od položaja scintilacije u kristalu, i X i Y signali, koji određuju mesto scintilacije u kristalu i tako determinišu mesto ulaska fotona u kristal. Nakon filtriranja u amplitudnom spektrometru i analiziranja od strane Z signala, svaka totalna ap-sorpcija izaziva tačku na ekranu, koja odgovara mestu apsorpcije na kristalu. Zbir svih tačaka za vreme određene ekspozicije proizvodi sliku raspodele radioaktivnosti. Ova informacija je obično di-gitalizovana i slika se proizvodi na ekranu računara koji je povezan sa gama kamerom (Sl. 30).

Gama kamera je prilagođena za detekciju gama zračenja energija od 50-500 keV; pogodna je za detekciju radionuklida koji se javljaju u radijacionim akcidentima, a koji imaju energije u ovom opsegu; takvi su većina, posebno radionuklidi koji se javljaju u kritičnim akcidentima. U merenjima iz-loženih pacijenata za vreme radijacionih akcidenata, obično ne treba koristiti kolimatore kojima je gama kamera snabdevena radi usmeravanja gama zračenja za vreme kliničkih ispitivanja. Pre akcidentalnih merenja poželjna je kalibracija gama kamere za razne radionuklide, posebno merenje minimalne detek-tibilne aktivnosti i osnovnog zračenja za razne opsege energija, sa i bez kolimatora i slično.

+ X− X+ Y− Y

K olo za pozicion iranje

Pretpoja iva i~ ~F otom ultiplikatori

K ristal

K olim ator

I zvor zra enja~

Poja iva~ ~

K olo za

sum iranje

Jed nokanaln i

analizator

D iferencijaln i

poja iva~ ~

X

Z

Y

Sl. 30. − Gama kamera Angerovog tipa

3.5.6. SPECT gama kamera

S obzirom na to da je rezolucija kod planarne scintigrafije gama kamerom niska u odnosu na stvarnu, postojala je potreba da se dobiju tomografski preseci tela, da bi se tako dobio stvarni kontrast raspodele radioaktivnosti u organu, što je moguće uraditi na više načina. Moguće je generisati projekci-

9

one slike oko pacijenta sa gama kamerom koja ima motor za kontinualno ili diskretno rotiranje oko paci-jenta. Iz projekcionih slika se rekonstruišu presceci tela po svim osama (transverzalna, sagitalna i koro-nalna) koristeći neki od rekonstruktivnih algoritama (iterativni, algebarski, furijeova projekcija unazad i dr.), koji se zovu tomografski. Koristi se kako bi se povećala kontrastna rezolucija planarne scintigrafske tehnike običnim gama kamerama i u širokoj je upotrebi u nuklearnoj medicini.

Kao i obične gama kamere tako se mogu primeniti u in vivo merenjima aktivnosti kod izloženih zračenju u radijacionim akcidentima.

3.5.7. PET kamera

Za ispitivanje metaboličkih stanja u organizmu koriste se beta plus emiteri 11C, 13N, 15O, 18F, 64Cu, 68Ga. Pozitron, koji nastaje u toku beta plus emisije zračenja, u tkivu se kreće samo nekoliko mi-limetara, kada se zajedno sa elektronom anihilira pa svaraju dva gama kvanta od 511 keV, koji se kre-ću u suprotnim smerovima, a pod uglom od 1800. Postavljajući detektore bez kolimacije oko pacijenta, nastali gama kvanti se detektuju. U elektronici uređaja se generišu prostorni X i Y signali, kao i Z sig-nal. Pozicije signala (X1, Y1) i (X2, Y2) su analizirane ukoliko su im Z signali istovremeni (Sl. 31). Tako se eliminišu parazitni signali, oni za koje nema koincidencije. Signali koji su odabrani preno-se se u računar i smeštaju na slike koje predstavljaju raspodele pozitrona, odnosno njihovih emitera. Merenje vremena preleta (razlika između mesta generisanja fotona i mesta njihove anihilacije) po-većava prostornu rezoluciju slika i povećava osetljivost sistema.

Iako PET kamere imaju uglavnom scintilacione kristale velike debljine te imaju veliku efika-snost, nisu pogodne za akcidentalna merenja jer nemaju elektroniku za detekciju gama zračenja.

Matr

ica

Kris

kal M

atr

ica

Kris

kal

Y2

X2

Z2

Selektor 51 1 keV Koicidencija Selektor 51 1 keV

G ate G ate

Z1

X1

Y1

Sabira~ord inata

Sabira~apcisa

Y X

e + e−

Sl. 31. − Pozitronska kamera

3.5.8. Univerzalna SPECT/PET kamera

Visoka cena pojedinih SPECT i PET uređaja i niz prednosti koju donosi istovremena upotreba i detekcija gama i pozitronskih emitera, dovela je do ideje o univerzalnoj SPECT/PET kameri. Debljina kristala se optimizira da bi bila pogodna i za jedne i za druge studije (0,6 do 1 cm), odnosno za detekciju i fotona i pozitrona, zatim koristi i elektroniku gama kamere i elektroniku za antikoincidenciju. Ubrzano je došlo do razvoja ovih uređaja sredinom devedesetih godina, između ostalog i zato što je gama kamera postala totalno digitalizovan uređaj, tako što joj je analogno-digitalna konverzija smeštena iza svakog fotomultiplikatora. To je omogućilo primenu novog metoda detekcija fotona, nazvanog lokalni centralni metod (ne-Angerov metod), kod koga se samo deo kristala koristi za detekciju jednog fotona, što dozvo-ljava istovremenu detekciju više fotona, čime je povećan broj detektovanih fotona, a sam tim i brzina brojanja, što direktno omogućava i efikasnu detekciju pozitrona.

SPECT/PET kamere se mogu koristiti za in vivo merenja u radijacionim akcidentima jer ima-ju elektroniku za merenja gama zračenja, a i scintilacioni kristal velike debljine.

10

4. POLUPROVODNIČKI DETEKTORI

Princip na kome je zasnovan rad poluprovodničkih detektora je povećanje električne provodlji-vosti do koje dolazi kad su oni jonizovani. Konstruisani su od para poluprovodnika tipa p i n, smešte-nih između dve elektrode i polarizovane inverzno prisustvom kontinualnog izvora napona, što proiz-vodi električno polje u p−n spoju (Sl. 32).

Sl. 32. − Poluprovodnički detektor

Njihov rad je sličan kao radu gasnih jonizacionih brojača. Jonizujuće zračenje prebacuje elek-trone iz valentne u provodnu zonu poluprovodnika, čime se povećava njegova električna provodnost pa se tako proizvodi električni impuls, koji se vodi na višekanalni analizator. Imaju niz prednosti nad ostalim detektorima, kao što je izvanredna energetska rezolucija. Imaju bolju energetsku rezoluciju od 0,2% za energiju od 1MeV, dok je za NaJ scintilacioni detektor za istu energiju, energetska rezolucija oko 7%.

Međutim, imaju vrlo malu osetljivost, što ih čini skoro nepotrebnim i neprimenjivim u svim stu-dijama na čoveku, osim u nekim slučajevima kod akcidentalnih merenja.

5. LIČNI DOZIMETRI

Svrha ličnih dozimetara je da se proceni individualna apsorbovana ili efektivna doza. Postoje dva osnovna tipa:

− penkala dozimetri;− filmovi ili termoluminiscentni dozimetri (TLD).

5.1. PENKALA DOZIMETRI

Veličine su običnog penkala, a ustvari je vazduhom napunjena jonizaciona komora. Potrebno je predhodno merenje i merenje nakon izlaganja.

5.2. TLD DOZIMETRI

Detektori TLD tipa koriste efekat kad interakcija jonizujućeg zračenja sa mrežom kristala u jed-nom izolovanom kristalu dovodi do stabilnih strukturnih defekata, koji mogu nestati jednostavno izla-ganjem toploti, čemu je pridružena emisija fotona vidljive svetlosti kroz rekombinaciju. Količina sve-tlosti emitovana iz kristala proporcionalna je apsorbovanoj dozi. Slični su filmu i imaju nedostatak što ne pokazuju trenutno merenje pa je apsorbovana doza koju pokazuju u stvari doza posle nekog doga-đaja. Vrlo su osetljivi na zračenje i informaciju mogu čuvati danima i mesecima. Mogu ponovo da se koriste, a opseg doza koju mogu da zabeleže je od 10-4-101 Gy. Nedostatak im je to što ne mogu da da-ju informaciju o energiji upadnog zračenja. Drugi nedostatak im je što imaju mogućnost samo jednog čitanja zagrejanog materijala, tako da učinjena greška u toku procesiranja ne može da se popravi.

11

5.3. FILM, TRANSPARENTNI, DOZIMETRI

Ovi detektori su napravljeni od filma koji kad se ozrači naelektrisanim česticama stvara defekte čija koncentracija može da se meri optičkim transmisionim spektrom. Odnosno, dolazi do zacrnjenja filma pa se merenjem stepena zacrnjenja, optičke gustine, filma određuje vrsta i intezitet zračenja koji je izazvao. Upoređujući nepoznato zacrnjenje sa kalibracionom krivom, očitava se apsorbovana doza. Manje su osetljivi na zračenje od TLD. Međutim, korišćenjem različitih materijala ispred filma mogu-će je odrediti opsege energije upadnog zračenja, a tako i apsorbovanu dozu.

Značka, u kojoj se nalazi film, je tako dizajnirana da zračenje može pasti direktno na film, ili nakon prolaska kroz jedan od različitih filtera, kao što su aluminijum, srebro, olovo, kadmijum ili ba-kar. Razlika zacrnjenja očitanog direktno i onih iza filtara, daje doze od beta zračenja. Pogodnim kom-binovanjem filtera i očitanih podataka mogu se izvesti zaključci o prirodi zračenja (beta, X-, gama, ili mešano), prisustvu termalnih neutrona, srednjoj energiji EM zračenja, smeru snopa zračenja i drugo.

Obično je potrebno u akcidentima koristiti i penkala dozimetre i TLD i/ili film dozimetre. I to penkala za trenutnu procenu, a TLD i filmove za mnogo tačniju i kasniju procenu.

6. MERENJE KONTAMINACIJE ISPITANIKA

Ciljevi dekontaminacije su:− sprečiti odnosno smanjiti ulaz radionuklida (radiokontaminanata) u telo,− smanjiti dozu zračenja na koži,− sprešiti nekontrolisano širenje kontaminacije na osoblje i u okolinu.Pre početka rada proveri se stanje detektora (najčešće se korist beta-gama monitor), a potom se

sonda oblaže plastičnom folijom, da bi se sprečila njihova kontaminacija. Izmeri se prirodno zračenje u prostoriji sa što dužom vremenskom konstantom ili što dužim trajanjem merenja, po mogućnosti bar de-set minuta.

Dozimetrista, propisno obučen u zaštitno odelo i sa propisnim ličnim dozimetrima, vrši mere-nje pažljivim pomeranjem detektora, brzinom od nekoliko centimetara u sekundi, i na udaljenosti od 2−3 cm, a preko ekstremiteta, tela i glave ispitanika i u skladu sa oznakama na Sl. 33. Za to je potreb-na vežba i dobro poznavanje instrumenta. Nakon radijacionog akcidenta najčešće su upravo pogrešne procene kontaminacije. Maksimalna dozvoljena kontaminacija kože smatra se da je 3,7 Bq/cm2 (10-4

µCi/cm2) za beta i 0,37 Bq/cm2 (10-5 µCi/cm2) za alfa emitere.Ukoliko se nađe kontaminacija odeća se skida i pristupa se pranju i dekontaminaciji, nakon čega

dolazi ponovno merenje. Kontaminirana mesta i nivoi kontamiancije se unose u dekontaminacioni list.Kada nakon dva sukcesivna merenja nema značajne razlike u jačini izmerene doze, onda je:

− uspešno obavljena dekontaminacija, jačina doze pala ispod 0,3 µ Gy/h (3 mR/h); ili − prisutna je interna kontaminacija ili

fiksna spoljašna kontaminacija. Posle ovoga pristupa se in vivo me-

renjima, sa brojačem aktivnosti celog tela ili sa bilo kojim dostupnim scintilacionim de-tektorom, predhodno kalibrisanim za date radionuklide. Ovde treba ponovo zapaziti da se za ova merenja obično koriste uređaji nuklearne medicine, kao pogodni, a i iz či-njenice da brojača celog tela obično nema dovoljno, za veliki broj merenja koja se tre-baju obaviti u radijacionim akcidentima. Ova merenja se ne moraju vremenski od-mah učiniti, već kad to dozvoli medicinski tretman, moguće je merenje kasnije, pa čak i sledećih dana nakon akcidenta. Sl. 33.− Merenje spoljašnje kontaminacije pacijenta GM brojačem

12