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电子自旋共振(electron spin resonance, ESR)光谱技术被认为是分析电离辐射与物质相互作用产生顺磁性物质(自由基、空穴等)的一种强有力的技术。由于顺磁性物质的浓度与吸收剂量有关,通过测量被辐照后物质的ESR信号可以进行剂量评估。在过去的几十年中,ESR技术被大量应用于对辐射事故或长期暴露于电离辐射的人员的剂量重建研究。例如,对牙釉质、骨等身体组织的ESR测量研究深入广泛,其已成为吸收剂量物理重建方法的“金标准”。但因样本采集具有创伤性[1],研究者开始寻找其他可以替代的、易于获得的、无创的材料。为更好地进行个人剂量估算,研究材料最好是属于个人随身之物,例如指甲、头发、衣物、眼镜、糖果等[2-4]。玻璃因具有廉价、化学惰性、刚度好、易于处理、普遍易得等特点,逐渐获得研究者的亲睐。通过测量放置在可能被辐照人员身上的物品(手机、手表、眼镜、MP3播放器等)或辐射事故范围内的生活材料(窗玻璃、汽车挡风玻璃等)在辐射后引起的物理变化,进而估算辐射剂量[1]。玻璃的辐射信号可通过光释光、热释光[5-9]和ESR等方法测得。笔者综述了玻璃作为剂量重建材料的ESR特性,为研究者提供了参考。
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目前,ESR测量使用最广泛的是X波段,需要样品质量为数十毫克或几百毫克。根据文献报道,X波段检测玻璃的最低剂量是2~10 Gy[1, 24],最高可达数千戈瑞(Gy),而在逐渐推广的Q波段中,只需样品1~3 mg,ESR波谱的敏感性更强,光谱分辨率更高,最低检测剂量低至0.5~1 Gy,可以很好地从BKG中区分出RIS信号。玻璃常用于高剂量的估算,低剂量的相关研究很少。1 Gy是确定性生物效应开始的剂量[25],因此低剂量区的研究十分必要。
玻璃的非RIS(BKG和MIS)、RIS以及影响信号稳定的各参数尚未被完全了解。在实验室条件下,均质样品的剂量估计具有非常好的结果,但暴露在阳光下则增加了ESR信号分析的复杂性。紫外线诱导的物质具有类似于辐射引起的特征,并会导致一些辐射信号的衰变,包括电子和空穴的重新组合[17, 21]。因此,暴露于不同条件下不同来源的样品,剂量响应具有差异性,在未来的研究中有必要对不同的信号分量进行探索,建立实用性强大的剂量估算校正曲线。
旨在提高大型辐射事故剂量评价能力的研究和开发方案,主要是基于生物测定(血液学、细胞学、遗传学或生物化学等剂量估算方法),特别是细胞遗传学技术开展的[26]。目前,物理剂量测定方法(如指甲、玻璃ESR检测等)正在被积极探索和研究中,这些方法并没有与生物分析法一样的标准化水平,仍处于开发阶段。但其具备一些重要优势,例如,存放多年的样本依然可以探测到有用的信息。在众多物理剂量测定材料中,玻璃具有独特的性质,表 1列举了玻璃及其他物质的一些辐射特性,通过对比更能直观体现玻璃作为剂量估算剂量计的优缺点。
材料 RIS BKG UV-信号 最低检测剂量 普遍性 取样难度 信号稳定性 全身或局部剂量 玻璃 有 有 有 2 Gy 高 易 24 h后稳定 全身和局部 糖 有 - 有 0.2 Gy 低 中 较稳定 全身和局部 塑料 有 有 有 - 高 易 不稳疋 全身和局部 棉花 有 有 - 10 Gy 中 中 - 全身和局部 羊毛 有 有 有 - 中 中 4 h后稳定 全身和局部 指甲 有 有 - 2 Gy 高 易 高度可变 局部 头发 有 有 有 - 高 易 高度可变 局部 骨头 有 有 否 2 Gy 高 难 稳定 局部 牙齿 有 有 有 2 Gy 高 难 稳定 局部 注:表中,RIS:辐射信号;BKG:本底信号;UV-信号:紫外线产生的信号;“-”代表此项未知。 表 1 各种物理剂量计的对比
Table 1. Comparison of various physical dosimeters
玻璃的ESR测量也有一些局限性。由于玻璃是基于从生活用品(手机、眼镜等)中收集的材料,相关剂量测定方法在未来的适用性完全取决于玻璃制作技术的演进。与之相比,建筑用玻璃的制作技术相对稳定,成本更为低廉,也更易于处理,并能广泛应用于各个生活场所中,因此对玻璃的研究可以侧重在建筑玻璃的方向上。
对于玻璃的剂量学性质的研究,不仅仅应用于辐射事故的剂量重建,在消毒、净水、巴氏杀菌和食品灭菌等辐射过程中的剂量测定方面也发挥着重要的作用[13]。
综上所述,在物理剂量估算材料中,玻璃的剂量估算原理明了、ESR信号较稳定、剂量响应呈线性相关,且具有廉价、化学惰性、刚度好、易于处理、普遍易得等特点,因此,玻璃是一种很有前景的物理剂量计。在未来的研究中,应将重点放在不同的信号分量的探索上,进一步克服玻璃样品和剂量响应的差异性,建立一个适用性强大的剂量响应曲线。
玻璃电子自旋共振剂量学特性的研究进展
Electron spin resonance dosimetric properties of glass
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摘要: 辐照后的玻璃可经电子自旋共振(ESR)波谱仪检测出ESR信号,包括本底信号、机械信号和辐射信号。ESR信号的大小与受照剂量基本成正比。当发生核事故或突发辐射意外时,可以通过对受照人员随身携带物品或事故区域内的玻璃进行ESR测量,快速估算事故剂量,评价事故的严重程度,并对受照人员进行及时的医学救治。玻璃具有廉价、化学惰性、刚度好、易于处理、普遍易得等特点,是一种很有前景的剂量估算物理剂量计。笔者主要对玻璃构成、剂量估算原理、ESR信号组成及其剂量学特性进行了探讨。Abstract: Electron spin resonance(ESR) signals, such as background, mechanically-induced, radiation-induced signals, can be detected in irradiated glass by ESR spectroscopy. ESR signals are set proportional to the dose. When a nuclear accident or sudden radiation accident occurs, the ESR measurement of the glass can quickly estimate the dose. Then the severity of the accident can be evaluated, and the medical treatment of the injured can be effectively performed. The use of glass samples as radiation detectors has several advantages, such as chemical inertness, rigidity, insolubility, small size, low cost, and rifeness, that make them especially attractive. In this paper, the composition of glass, the principle of dose estimation, and the composition of the ESR signal and its dosimetry characteristics are discussed.
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Key words:
- Glass /
- Electron spin resonance spectroscopy /
- Dosimetric properties
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表 1 各种物理剂量计的对比
Table 1. Comparison of various physical dosimeters
材料 RIS BKG UV-信号 最低检测剂量 普遍性 取样难度 信号稳定性 全身或局部剂量 玻璃 有 有 有 2 Gy 高 易 24 h后稳定 全身和局部 糖 有 - 有 0.2 Gy 低 中 较稳定 全身和局部 塑料 有 有 有 - 高 易 不稳疋 全身和局部 棉花 有 有 - 10 Gy 中 中 - 全身和局部 羊毛 有 有 有 - 中 中 4 h后稳定 全身和局部 指甲 有 有 - 2 Gy 高 易 高度可变 局部 头发 有 有 有 - 高 易 高度可变 局部 骨头 有 有 否 2 Gy 高 难 稳定 局部 牙齿 有 有 有 2 Gy 高 难 稳定 局部 注:表中,RIS:辐射信号;BKG:本底信号;UV-信号:紫外线产生的信号;“-”代表此项未知。 -
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