ФАНТОМ ПРОТИВ РАДИАЦИИ
Доктор технических наук Л. СМИРЕННЫЙ.
В одном из залов Политехнического музея в Москве можно увидеть фантом-манекен, летавший на космическом корабле по околоземной орбите и вокруг Луны.
Использование фантома в радиационной физике потребовалось в то время, когда стало ясно, что действие на человека ионизирующих излучений нельзя оценить только по ионизации изолированного объема воздуха, как это делали вначале.
Дело в том, что разные виды излучений по-разному взаимодействуют с биологическими тканями и телом человека. Одни из них останавливаются в поверхностных слоях кожи, оставляя там всю свою энергию, другие растрачивают ее постепенно, третьи, проходя сквозь тело, равномерно облучают его части и выходят наружу, едва ослабившись. С совершенствованием знаний о свойствах радиации и ее биологическом действии совершенствовались и фантомы. Вначале тело человека представлялось в виде плоской пластины, затем - в виде шара и набора цилиндров. Необходимость определять степень облучения отдельных органов стимулировала принятие в 1999 году "Норм радиационной безопасности" (НРБ-99). В соответствии с рекомендациями Международной комиссии по радиологи ческой защите в качестве основного критерия радиационной опасности установили величину эффективной дозы, определяющей меру риска возникновения отдаленных последствий облучения как всего тела человека, так и отдельных органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Потребовалась разработка сложных фантомов, состоящих из геометрических фигур, имитирующих части тела. Такой фантом, где геометрические фигуры моделируют печень, селезенку и другие органы (ребра и кишечник представлены в виде трубообразных элементов), разработала группа американских ученых во главе с профессором Снайдером.
С необходимостью использовать фантом сотрудники нашего Научно-исследовательского испытательного центра радиационной безопасности космических объектов (НИИЦ РБКО) столкнулись сразу, как только начали заниматься безопасностью космических полетов человека. Разнообразие излучений, воздействующих на космонавта и оборудование в полете, необыкновенно велико. В космических лучах исследователи обнаружили как электроны, так и тяжелые заряженные частицы, такие, например, как ионы железа. Велик и диапазон энергий этих частиц: если в солнечном ветре можно наблюдать частицы с энергией в десятки и сотни электронвольт, то в галактических космических лучах обнаружены частицы с энергиями, которые до сих пор люди не могут получить даже на самых мощных ускорителях. Кроме того, на космических аппаратах используются радиоактивные изотопы и другие источники ионизирующего излучения, что еще больше усложняет оценку радиационной опасности.
При создании фантома-манекена, предназначенного для изучения влияния космических лучей на человека, требовалось получить материал, близкий по составу биологической ткани и способный выдерживать перегрузки, возникающие на различных этапах полета. Вместе с тем он должен быть безопасным в пожарном отношении и не должен выделять токсические вещества при колебаниях температуры и давления в герметичной кабине. И такой материал был разработан сотрудницей нашего института Э. В. Литвиновой. Проведя огромное число опытов, она подобрала соотношение эпоксидной смолы и зерен пшеницы, наилучшим образом удовлетворяющее поставленным требованиям. По техническому заданию Центра радиационной безопасности Ленинградский государственный институт комплексного проектирования разработал конструкцию и изготовил фантом-манекен, подвижный в суставах. В голове, туловище и конечностях манекена были сделаны каналы для размещения детекторов ионизирующих излучений.
Химический анализ фантома, испытания его на центрифуге, на ударном и вибростендах, а также в климатических камерах показали, что он готов к космическим полетам.
Но запуск каждого килограмма стоил больших денег, а фантом-манекен, изготовленный в соответствии с рекомендациями Международной комиссии по радиационной защите, весил семьдесят килограммов! На помощь пришел его величество случай. От сотрудников КБ С. П. Королева нам стало известно о подготовке очередного испытания космического корабля серии Л-1, предназначенного для облета Луны. Вопрос о радиационной опасности при полете к Луне в то время стоял особенно остро. Да и сейчас периодически возникают утверждения, что американские астронавты не могли оказаться на Луне из-за радиационного барьера. Сотрудники Центра радиационной безопасности уже посылали сборки дозиметров и наборы ядерных эмульсий на аппаратах "Зонд-5" и "Зонд-6". На очередном корабле планировалось установить кресло космонавта и посадить в него манекен.
Мы оперативно подготовили предложения по проведению полетного эксперимента с фантомом-манекеном. Предложения заинтересовали руководство конструкторского бюро, и подготовка исследований пошла полным ходом. Проверялась техническая документация, по требованиям военпредов проводились дополнительные испытания и доработки. Фантом, одетый в высотный костюм пилота, посадили в кресло космонавта, а в специальных каналах разместили термолюминесцентные детекторы ионизирующих излучений и ядерные эмульсии.
Настал день, и фантом с дублирующим комплектом был доставлен на стартовую позицию.
Наш фантом облетел Луну на аппарате "Зонд-7", и в результате были получены данные о распределении доз в теле космонавта и их физических характеристиках при полете по трассе Земля-Луна -Земля. Специалисты пришли к выводу: "При отсутствии солнечных вспышек радиация на этой трассе полета не страшна". Кроме того, было доказано, что фантом можно использовать при экспериментах в космосе.
В 1970 году в нашу страну приезжал президент Франции Помпиду. В программу его пребывания были включены демонстрации запуска искусственного спутника Земли и пуска баллистической ракеты. В качестве спутника Земли предполагалось использовать возвращаемый аппарат типа "Восток". Однако состав научной аппаратуры на спутнике не был определен и для поставки оборудования оставалось очень мало времени. В качестве манекена мы предложили свой фантом.
Запуск искусственного спутника с необычным космонавтом прошел "без сучка и задоринки". Спутник получил официальное название "Космос-368", хотя специалисты, проводившие подготовку и запуск, называли его "Помпидушкой". В результате были получены данные о распределении доз в теле человека при орбитальном полете.
Итак, мы получили важные научные данные, а герой этих экспериментов - фантом - прописку в одном из главных музеев страны - Политехническом. Наряду с наиболее ценными экспонатами он вошел в книгу "Памятники науки и техники в музеях России", выпущенную к 120-летию Государственно го Политехнического музея в 1992 году.
Официальное признание как прибор для определения доз радиации, действующей на органы, и эффективной дозы этот фантом получил после утверждения в 2004 году Методических указаний "Нормативные модели тела стандартного работника для определения эффективной и эквивалентной дозы".
Учитывать облучение отдельных органов необходимо не только в космосе, но и на земле, например в хранилищах твердых радиоактивных отходов. При технологических операциях здесь не всегда удается использовать автоматы и часто приходится работать людям. При этом иногда бывает трудно определить эффективные дозы даже с помощью современных компьютеров. Необходимые данные можно получить лишь при непосредственном измерении распределения доз в теле фантома.
Исследования проводились в хранилище твердых радиоактивных отходов атомного флота, расположенном на Кольском полуострове. Фантом, ближайший родственник того, что облетел Луну, упакованный в полиэтиленовую пленку, предохранявшую его от поверхностного радиоактивного загрязнения, устанавливался в различных местах хранилища. При этом имитировались условия, в которых должны были работать операторы. Затем люди уходили, оставляя наше "привидение", начиненное детекторами, которые фиксировали переданную им энергию за все время экспозиции. В этих условиях фантом оставался в полумраке хранилища в течение суток. Детекторы накапливали информацию, которую можно было считывать с приемлемой точностью. Это позволило получить исходные данные для разработки системы контроля облучения работающего персонала и рекомендаций по проведению защитных мероприятий.
Дозы, получаемые различными органами тела человека, существенно различаются, а при некоторых операциях индивидуальные дозиметры занижают радиационную опасность. Кроме того, анализ измерений, выполненных фантомом, позволяет определять, какие области тела человека и в какой степени целесообразно защитить, чтобы уменьшить радиационную нагрузку.
В настоящее время на Международной космической станции (МКС) проводится российско-европейский эксперимент "Матрешка". В подготовке этого эксперимента непосредственное участие принимали Институт медико-биологических проблем РАН, Институт космической медицины из Кёльна и РКК "Энергия".
Фантом, моделирующий верхнюю часть тела человека, выставлен на внешней поверхности МКС. Он состоит из 34 слоев, между которыми установлено около тысячи дозиметров. Это в основном термолюминесцентные детекторы, которые регистрируют дозу, накопленную в течение всего периода эксперимента. Затем детекторы спустят на Землю и отправят в лабораторию, где с них снимут показания. Некоторые дозиметры связаны с телеметрией и регистрируют сиюминутную дозу. Пять из "активных" дозиметров установлены в точках, соответствующих наиболее важным органам человека. Показания этих дозиметров принимаются за средние величины доз в данных органах.
Однако при неравномерном облучении тела человека такое приближение может приводить к значительным ошибкам. Так, например, размеры легких, печени, желудка сопоставимы с размером тела человека, поэтому доза, измеренная в точке, только случайно может соответствовать средней дозе в данном органе. Еще более сложно определить среднюю дозу, поглощенную кроветворным костным мозгом, который находится в различных костях тела человека.
Ученые работают над созданием фантома-манекена, способного определять дозы в органах и тканях в масштабе текущего времени. Фантом в переводе с французского языка значит привидение, призрак.
Читайте в любое время
