CC BY
15
УДК 539.1.71.002
СОЗДАНИЕ МИКРОДОЗИМЕТРОВ ДЛЯ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ НА ОСНОВЕ СВЕРХЧИСТОГО ТЕТРАМЕТИЛСИЛАНА И ПРОВЕРКА ЕГО ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ
В. В. Сиксин1, Ю.П. Ендовин2
Разработан и испытан вариант установки для получения образцов тетраметилсилана (TMS) и для его очистки от электроотрицательных примесей. Очищенный ТМS возможно использовать в микродозиметрах при работе на терапевтических ускорителях при планировании лучевой терапии. Описана система контроля за степенью чистоты ТМS по величине электропроводности и выходу свободных электронов. Микродозиметр на ТМС возможно использовать совместно с детектором телевизионного типа для повышения точности измерения поглощенной дозы в области пика Брэгга.
Ключевые слова: глубинное дозное распределение, электроотрицательные примеси, "теплые жидкости", выход свободных электронов, тетраметилсилан (TMS), жидкостные ионизационные камеры, пик Брэгга.
Введение. Работа является продолжением работ [1-3]. Первоначально предполагалось использовать разработанную технологию очистки и контроля степени чистоты TMS для применения в адронной калориметрии на ускорителе ИФВЭ. Но в последующие годы при продолжении работ по изучению области применения жидкостных ионизационных камер произошло смещение интересов в область применения ионизационной камеры на TMS (в дальнейшем ИК-TMS) в качестве сверхточного дозиметра смешанного излучения.
ИК-TMS может измерять поглощенную дозу в водных фантомах в области пика Брэгга для терапевтических энергий гамма-квантов, электронов, протонов и ядер уг-
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected].
2 ГНЦ РФ Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементооргани-ческих соединений (ГНИХТЭОС), 105118 Россия, Москва, шоссе Энтузиастов, 38.
лерода с точностью, превышающей установленную нормативными актами для лучевой терапии, так как изначально является хорошим детектором смешанных излучений. Поскольку основная проблема в лучевой терапии - это определение c требуемой точностью отпускаемой дозы в определенной точке фантома, то ИК-ТМС будет являться важным инструментом при планировании сеансов лучевой терапии.
ИК-TMS можно изготовить в микроварианте с чувствительным объемом не более 2 мм3. Это позволит избежать побочных эффектов, таких как, например, гало пучка, имеющих место при применении других дозиметров в водном фантоме при планировании лучевой терапии (кремневые ИК, воздушные ИК, диоды для гамма-квантов и диоды для электронов).
По своей плотности ТМС (0.65 г/см3) близок к плотности воды и поэтому не вносит искажений в форму энерговыделения в пике Брэгга. Подробно технология очистки TMS для использования в ИК описана далее в настоящей работе.
Критерием степени чистоты TMS был выбран выход свободных электронов Gif при облучении ИК-TMS гамма-квантами от источника 137Cs с активностью 3 • 107 Бк.
Была изучена форма вольт-амперной характеристики (ВАХ), т.е. выхода электронов в ИК-TMS, зависимости от напряженности электрического поля в ИК-TMS и от "длины прилипания электронов".
Электропроводность и обратная ей величина - удельное сопротивление жидкости в ИК-TMS, при наличии достаточного плато в ВАХ также является характеристикой степени очистки TMS, применяемого в ИК-TMS [4].
Ранее исследования "теплых жидкостей" (имеющих электронную проводимость при комнатных температурах) в качестве активной среды (АС) ионизационных детекторов были проведены в работе [5].
Основные предпосылки для использования TMS в качестве АС состоят в том, что электроны, образованные при прохождении ионизирующей частицы, должны обладать высокой дрейфовой подвижностью и иметь достаточно большое время жизни относительно захвата электроотрицательными примесями.
Для "теплых жидкостей" концентрация электронных акцепторов не должна превышать нескольких единиц на 10-8 моль/л.
Система тонкой очистки. В качестве источника TMS использовались легкокипя-щие фракции (ЛКФ), образующиеся в промышленном производстве метилхлорсиланов. Обычно ЛКФ содержат 50-75% TMS, а также хлористый метил (ХМ), хлор- и метил-
хлорсиланы (МХС) и углеводороды (в основном 2-метилбутан, метан). Для получения чистого TMS легкокипящие фракции подвергали многостадийной обработке.
Стадия 1. Ректификация. Промышленную ЛКФ дополнительно ректифицировали по стандартной методике и выделяли фракцию TMS в узком интервале температур: 25 ± 0.5 °С. Ректифицированный продукт содержит 85.0-95.0% масс. TMS, 4.4-14.5% масс. 2-метилбутана и 0.1-0.5% примесей ХМ и МХС.
Стадия 2. Удаление кислых примесей. Ректификат TMS обрабатывали в емкости, снабженной обратным холодильником, 3 часа при интенсивном перемешивании 10% водным раствором NaOH; реакционную смесь отстаивали 1 час, декантировали верхний слой и дважды промывали дистиллированной водой. На этой стадии удалялись примеси
Стадия 3. Сушка. После водной промывки концентрат TMS дистиллировали в емкость, содержащую осушенное молекулярное сито 4 A. Концентрат TMS выдерживали над ситом 4 A не менее 8 часов, после чего его декантировали в емкость для хранения.
Рис. 1: Принципиальная схема очистки тетраметилсилана от примесей (Стадия 4-Адсорбционная очистка). Пояснения в тексте.
ХМ, HCl и МХС.
Абгазы
Стадия 4■ Очистка концентрата TMS от 2-метилбутана (рис. 1). Для этого концентрат TMS, осушенный на стадии 3, пропускали в смеси с Ar (ОСЧ) через колонну, заполненную специально подготовленным цеолитом - морденитом.
На рис. 1 показаны: 1 - емкость с рубашкой, обогреваемая горячей водой (50-60 °С), заполненная осушенным концентратом TMS; 2 - адсорбционная колонна, заполненная молотым цеолитом морденитом (размер частиц 200-500 мкм); 3 - холодильник, охлаждаемый тосолом до минус 15 °С; 4 - приемная емкость чистого TMS (рубашка охлаждается до -15 °С); F - расходомеры.
На мордените адсорбировались следовые количества ХМ, воды и основной примеси в концентрате TMS: 2-метилбутана. Пары TMS проходили через колонну и конденсировались в емкости. Подготовка цеолита заключалась в удалении H2O и O2 нагреванием его до 250 °С и вакуумировании до 0.1 мм Hg в течение 4 часов. Адсорбция 2-метилбутана проводилась при 25 °С и атмосферном давлении 1-1.5 ата.
Рис. 2: Схема измерения электропроводности (свободного выхода электронов Gif): 1 -ИК-TMS; 2 - высоковольтный электрод диаметром 25 мм; 3 - охранный электрод; 4 -источник ионизирующего излучения; 5 - коллектор диаметром 18 мм; 6 - электрометрический усилитель типа ДРГ2-01; 7 - интегрирующая емкость операционного усилителя; 8 - вольтметр, ВН - высокое напряжение. Зазор между электродами -1.6 мм.
Оценка качества очищенного TMS проводилась двумя методами: газожидкостной хроматографии [2] и по электропроводности в системе контроля (СК), описанной далее в настоящей работе и представляющей собой прецизионный электрометрический усилитель, позволяющий измерять токи проводимости в ИК-TMS.
Оценка качества чистого TMS с помощью системы контроля. Схема проведения эксперимента по измерению электропроводности TMS при прохождении потока гамма-квантов от источника приведена на рис. 2.
Мощность источника гамма-квантов с энергией 660 КэВ позволяет получать в рабочем объеме измерительной ячейки экспозиционную дозу, равную 20.6 мР/имп. Экспозиционное время составляло 100 с (один импульс). За время экспозиции на интегрирующей цепочке операционного усилителя собирался заряд Q, который определялся с помощью вольтметра 8 по напряжению на вторичной обкладке конденсатора Сос операционного усилителя. Для каждого значения высокого напряжения (ВН) на ИК-TMS набиралась статистика и за несколько последовательных экспозиций вычислялось среднее значение Q.
На рис. 3 (верхний график) приведена разность Qo — QT, когда ИК-TMS облучалась источником и на нижнем графике - собираемый ИК-TMS темновой заряд (QT), когда источник отсутствовал (токи утечки очищенной жидкости).
Q-1012, к щ
500100 г
5010г
5 -
iL
0 5 10 15 20 25
Рис. 3: Заряд, собранный ИК-TMS, в зависимости от напряженности электрического поля в виде кривых, аппроксимирующих экспериментальные точки.
Видно, что при прохождении гамма-квантов от источника верхняя кривая имеет хорошее плато по напряжению, что говорит о высокой степени очистки TMS, обеспечивающей эффективную работу ИК-TMS.
В настоящей работе были получены вольт-амперные характеристики (ВАХ), точнее, зависимости собранного заряда в ИК-ТМС от высокого напряжения, подаваемого на ИК-ТМС, с источником гамма-квантов и без него:
- Q0 - заряд в кулонах, собранный в ИК-ТМС при облучении ее от источника;
- QT - заряд в кулонах, собранный в ИК-ТМС при отсутствии источника.
Вычислялась разность Qo — QT, представленная верхней кривой рис. 3, когда ИК-
ТМС облучалась источником, и на нижней кривой - собираемый ИК-ТМС темновой заряд (QT), когда источник отсутствовал (токи утечки очищенной жидкости).
Из ВАХ следует, что в данном образце TMS наблюдается электронная проводимость, превышающая ток утечки в 5-100 раз. Кривая QT (заряд утечки) на рис. 3 характеризует токи утечки. Обратная ей величина характеризует удельное сопротивление (УС) и является основной величиной, характеризующей степень очистки ТМС от электроотрицательных примесей.
Величины УС до и после очистки получены следующие: 1012 Ом-см до тонкой очистки после автоматизированной ректификационной установки (АРУ) и 4.8 • 1017 Ом-см после тонкой очистки при 3.75 кВ/см. Полученные результаты согласуются с результатами работы [4].
Измерение выхода свободных электронов. При измерениях выхода свободных электронов (ВЭ) Gif использовалась схема измерительной электроники, представленная на рис. 2, аналогичная схеме системы контроля за степенью чистоты TMS. При данной схеме подключения ИК-ТМС к электрометрическому усилителю измерялась только электронная компонента тока, наведенного источником в ИК-ТМС. Выход электронов (ВЭ) на каждые 100 эВ энергии, потерянной на ионизацию, вычисляется по формуле:
Gf = Pf • (1)
D • d • v
где D - доза, поглощенная в рабочем объёме (мР/имп); d - плотность TMS (г/см3); v -рабочий объём ячейки (см3).
Выход электронов является одной из основных физических величин, использующихся при проектировании ионизационных камер на "теплых жидкостях".
На рис. 4 показан выход свободных электронов Gif в зависимости от напряженности электрического поля в ИК-TMS.
Рис. 4: Выход свободных электронов Gif в зависимости от напряженности электрического поля в ИК-TMS (пояснения в тексте).
На рис. 4 кривые 1, 2, 3, 4 - результаты, полученные в работах [4, 6, 7], и в настоящей работе, соответственно.
Результаты, полученные в настоящей работе с очищенными образцами ТМС позволяют сделать вывод о возможности применения данных образцов ТМС для изготовления дозиметров для планирования лучевой терапии и, в первую очередь, при конструировании микродозиметров для работы на протонных терапевтических ускорителях.
Выводы. Разработана лабораторная установка для очистки на АРУ исходного продукта - TMS после первого этапа очистки. В работе был использован принцип контроля за степенью очистки TMS, основанный на измерении величины выхода свободных электронов - Gif и сравнения результата с табличной величиной.
Для полученных образцов TMS было измерено значение ВЭ, совпадающее с другими работами. Измеренное значение ВЭ говорит о том, что электроны в основном продукте обладают достаточным временем жизни и мобильностью, что позволяет использовать ТМС при конструировании высокоточных дозиметров для лучевой терапии и, в частности, для применения их на протонном терапевтическом ускорителе в Протвино.
Микродозиметр на ТМС предполагается использовать совместно с детектором телевизионного типа, проверенном на пучке протонов радиотерапевтического ускорителя г. Протвино, обеспечивающим визуализацию области энерговыделения в фантоме с
водой. Микродозиметр на ТМС позволит повысить точность измерения поглощенной дозы в области пика Брэгга.
На основе разработанной ИК-TMS возможно изготовление уменьшенной в размерах ИК, сопоставимой с ИК "Microlion", у которой размеры чувствительной области равны 2 мм в диаметре (по электродам). Такая камера позволит подробно, с шагом 100 мкм, сканировать поглощенную дозу при прохождении протонов в водном фантоме при планировании протонной терапии. После изготовления уменьшенной в размерах ИК целесообразно провести ее испытания на терапевтическом ускорителе для сравнения с существующими видами детекторов.
Авторы выражают благодарность В. Е. Балакину за практические консультации и возможность применения данной технологии для работы на протонном ускорителе.
Авторы выражают благодарность А. И. Львову за консультации и поддержку работы.
ЛИТЕРАТУРА
[1] А. П. Воробьев, О. В. Матвеева, В. В. Сиксин, Препринт ИФВЭ 88-90 (ИФВЭ, Серпухов, 1988).
[2] О. В. Матвеева, В. В. Сиксин, Препринт ИФВЭ 90-17 (ИФВЭ, Серпухов, 1990).
[3] В. В. Сиксин, Препринт ИФВЭ 90-112 (ИФВЭ, Серпухов, 1990).
[4] J. Engler, Н. Keim, and B. Wild, Nucl. Instr. and Meth. A 252, 29 (1986).
[5] J. Engler and Н. Keim, Nucl. Instr. and Meth. A 223, 47 (1984).
[6] J. P. Dodelet et al., Can. J. Chem. 54, 741 (1976).
[7] R. C. Munos, J. B. Cumming, and R. A. Holroyd, Chem. Phys. Lett. 115, 477 (1985).
Поступила в редакцию 6 марта 2018 г.
