Promieniotwórczość gamma wzbudzona w środowisku cyklotronu Proteus C-235

Abstract

Głównym celem niniejszej pracy było zbadanie promieniotwórczości wzbudzonej w różnych komponentach środowiska CCB - IFJ PAN, będącej efektem rutynowego działania cyklotronu Proteus C-235. Wykonano pomiary gamma-spektrometryczne wybranych elementów systemu zarządzania wiązką (BMS, ang. Beam Management System) i elementów wykorzystywanych do prowadzenia terapii. Przeprowadzono także pomiary mocy dawki promieniowania gamma w wybranych miejscach w budynku CCB oraz w jego najbliższym otoczeniu, które uzupełniono o wskazania stacjonarnych sond dozymetrycznych znajdujących się w CCB. Na podstawie wyników przeprowadzonych pomiarów stwierdzono, że największą zawartością sztucznie wygenerowanych izotopów promieniotwórczych odznaczały się elementy, które mają bezpośredni kontakt z wiązką protonów w trakcie działania cyklotronu. W hali radioterapii oka elementami tymi były kolimator techniczny, modulator zasięgu i stoper wiązki, dla których wyznaczono ponadto aktywność zawartych w nich wzbudzonych radionuklidów. Pomiarom poddano również znajdujące się tam stanowisko terapii jako całość, w wyniku których stwierdzono obecność w nim szeregu sztucznie wygenerowanych radionuklidów. Ich ilość była jednak stosunkowo niewielka w porównaniu z naturalnie występującym izotopem K-40. Elementem o największej zawartości wzbudzonych izotopów promieniotwórczych i praktycznie jedynym akcesorium, które wykazywało podwyższony poziom promieniotwórczości w pokoju gantry, był zmieniacz zasięgu. Zaobserwowano, iż największy wkład w jego całkowitą aktywność w początkowym okresie po jego użytkowaniu na stanowisku radioterapii ma krótkożyciowy izotop węgla C-11. Na podstawie wyników pomiarów w hali cyklotronu stwierdzono, iż degrader energii wiązki oraz jego najbliższe otoczenie to obszar charakteryzujący się największym poziomem promieniotwórczości wzbudzonej w całym budynku CCB. Potwierdzono również możliwość aktywacji materiałów znajdujących się poza bezpośrednim sąsiedztwem wiązki protonowej. Dokonano tego wykonując serię pomiarów aktywacyjnych w hali cyklotronu, w których stwierdzono obecność oraz wyznaczono aktywność wielu różnych izotopów wyprodukowanych w próbkach miedzi, stali, aluminium oraz betonu, poddanych uprzednio ekspozycji na strumienie wtórnych neutronów w hali akceleratora. Pomiary tła w hali doświadczalnej CCB wykazały obecność kilku sztucznie wyprodukowanych izotopów promieniotwórczych, jednakże ich ilość była relatywnie niewielka. Stwierdzono również występowanie wzrostów mocy dawki promieniowania gamma i neutronowego wewnątrz hali. Były one każdorazowo większe w przypadkach, gdy wiązkę protonów kierowano na halę radioterapii oka, niż gdy wykorzystywaną ją w samej hali doświadczalnej. Na zewnątrz budynku CCB - IFJ PAN nie stwierdzono obecności żadnych izotopów promieniotwórczych poza naturalnie występującymi. Na podstawie analizy wyników zebranych podczas realizacji niniejszej pracy, stwierdzono, iż zjawisko wzbudzania promieniotwórczości jest procesem, który ma miejsce w budynku CCB - IFJ PAN i odgrywa niepoślednią rolę w aspekcie prowadzenia ochrony radiologicznej na jego terenie. Uzyskane wyniki wykazały, że największą zawartością sztucznie wygenerowanych izotopów promieniotwórczych odznaczały się elementy, które mają bezpośredni kontakt z wiązką protonów w trakcie działania cyklotronu. Niepomijalny udział w generowaniu nowych izotopów promieniotwórczych, również w miejscach znajdujących się poza bezpośrednim sąsiedztwem wiązki protonów, ma także wtórne promieniowanie neutronowe. W przypadku większości badanych materiałów, główny wkład w ich całkowitą aktywność w początkowym okresie, następującym bezpośrednio po zakończeniu ich naświetlania, mają izotopy krótkożyciowe. W szczególności uwidacznia się to dla lekkich materiałów, składających się z atomów wodoru, węgla i tlenu. Wraz z upływem czasu dominować zaczynają izotopy o relatywnie długim okresie półrozpadu, które mogą się kumulować w niektórych materiałach nawet przez kilka – kilkadziesiąt lat i mieć istotne znaczenie pod kątem ochrony radiologicznej w dłuższej perspektywie czasowej.

The main goal of the thesis was to study radioactivity induced in different components of the CCB - IFJ PAN environment, which is the effect of routine work of Proteus C-235 cyclotron. Gamma spectrometry measurements of the chosen elements of Beam Management System and components used to provide therapy were carried out. Gamma dose rate measurements in the chosen spots inside and outside of the CCB building were performed as well. They were supplemented by readings of stationary dosimetric probes used at CCB. Based on the obtained results, it was found that elements that have direct contact with the proton beam during the operation of the cyclotron are the ones that contain the most of artificially produced radioactive isotopes. In the eye treatment room those were technical collimator, range modulator and beam stopper. Activity values of induced radionuclides present in these objects were determined. Measurements of the treatment device as a whole were also carried out and they showed that a number of different artificial isotopes were produced in the device. Their concentration was relatively low in comparison with the naturally occurring K-40. The element with the highest content of induced radioisotopes and basically the only one that exhibited increased level of radioactivity in the gantry room was range shifter. It was observed that short-lived carbon isotope C-11 had the biggest contribution in its total activity during the first period after its use in the treatment device. Based on the results of measurements performed in the cyclotron hall, it was found that the beam energy degrader and its near vicinity is an area that contains the biggest amount of induced radioactivity in the whole CCB building. Moreover, the possibility of activation of materials located further away from the beam was confirmed. It was proven by conducting series of activation measurements in the cyclotron hall which showed presence of many different isotopes produced in copper, steel, aluminum and concrete samples that were exposed to secondary neutrons in the accelerator hall beforehand. Activity values of these isotopes were determined as well. Background radiation measurements in the experimental hall at CCB showed presence of several artificially produced radioactive isotopes, their concentration was relatively low, though. The occurrence of spikes of gamma and neutron dose rate values were observed as well. Furthermore, they were always bigger when the proton beam was used in the eye treatment room rather than in the experimental hall. No other than naturally occurring radioisotopes were found outside the CCB - IFJ PAN building. Based on the analysis of the results obtained in the measurements carried out within this work, it was found that the phenomenon of inducing radioactivity is a process that is present at CCB - IFJ PAN and is significant with regard to radiological protection provided at CCB. The main source of these newly produced radionuclides are nuclear reactions of protons with materials located directly in their path. Secondary neutron radiation is of importance in terms of producing new radioactive isotopes as well, especially when it comes to areas located outside of the near vicinity of the proton beam. In case of majority of the examined materials, short-lived isotopes contribute the most to their initial activity measured immediately after their irradiation. Especially, it shows explicitly in case of light materials consisting of hydrogen, carbon and oxygen atoms. Over time, relatively long-lived isotopes start to dominate and they can accumulate in some materials for even dozens of years, thus, they can become of concern with regard to radiological protection in the long term.