Qualification of an X-ray unit for dosimetrical application

Abstract

Este proyecto de doctorado se centra en la evaluación de calidad de una unidad de rayos X para aplicaciones dosimétricas. Esta tesis describe todo el proyecto en tres secciones diferentes. La primera parte puede considerarse una introducción para presentar los conceptos e instrumentos utilizados para este trabajo. La base teórica del principio de funcionamiento de un tubo de rayos X se explica en el Capítulo 1. El Capítulo 2 muestra las magnitudes y el sistema de unidades de Protección Radiológica. Estos dos primeros capítulos representan los antecedentes teóricos de mi tesis. El Capítulo 3 muestra el laboratorio montado durante la primera parte de mi trabajo de doctorado. La unidad de irradiación y el laboratorio relacionado se pusieron a punto en el marco de una colaboración entre los Laboratorios Nacionales de Frascati del INFN (INFN - LNF), la Agencia Espacial Italiana (ASI) y el Consorzio di ricerca Hypatia. El aparato de rayos X funciona entre 40 y 120 kV con corrientes de hasta 5 mA. Se pueden implementar diferentes filtraciones de acuerdo con la calidad de haz deseada. Un banco mecánico permite colocar dispositivos y muestras a diferentes distancias del ánodo del tubo de rayos X. La segunda parte muestra los principales resultados obtenidos con diferentes experimentos y pruebas para calificar la salida de radiación del tubo de rayos X: • diseño y desarrollo de una cámara de ionización para medir la salida dependiente del tiempo de la unidad de rayos X (Capítulo 4); • determinación de la posición del foco del tubo de rayos X, que es un punto de referencia importante de la línea de irradiación (Capítulo 5); • verificación experimental de la calidad del haz a través de mediciones HVL (Espesor de semireducción - Half Value Layer) con la cámara de ionización para la elección de combinaciones adecuadas de kilovoltios-filtración para lograr calidades de radiación bien identificadas, según lo especificado por las Normas Internacionales relevantes (ISO 4037). Los haces de la serie de espectro estrecho (serie ISO 4037 N) se seleccionaron porque su distribución de energía aproximadamente monoenergética es muy adecuada para estudiar la respuesta de los dispositivos en función de la energía del fotón. La concordancia entre los valores ISO y los experimentales es excelente: la discrepancia es inferior a aproximadamente el 5% (Tabla 6-3, Capítulo 6). • estudio sobre la uniformidad del campo de rayos X (Capítulo 7), que es una tarea importante que debe cumplir el haz de rayos X, ya que es importante que todas las áreas de campo sean equivalentes y que la dosis impartida al dispositivo bajo prueba sea independiente de la posición en que se coloque. Se utilizaron dos técnicas de medición diferentes para verificar la uniformidad. La primera se basa en un detector pasivo, película Gafchromica, y la segunda emplea un detector de silicio que funciona en modo corriente. La variabilidad total del campo es aproximadamente del 11% dentro de una región central de 8 cm de radio (párrafo 7.4, Capítulo 7). • medición espectral de los haces de rayos X utilizando espectrómetros de fotones basados en semiconductores (detectores de silicio y de telurato de cadmio). Estas mediciones son básicas para verificar la forma del espectro continuo de radiación de frenado y las energías de punto final de las componentes espectrales, además de las mediciones de calidad de HVL (Capítulo 8). Los espectros confirman lo que se esperaba de las mediciones de HVL: utilizando las combinaciones de kilovoltios-filtración adecuadas (escritas en la Tabla 6-3) es posible lograr las calidades de radiación bien identificadas de la serie N, la serie estrecha de ISO 4037, útil como referencia de calibración La actividad de la última parte de mi tesis doctoral se centró en un innovador detector activo para dosimetría de cristalino (Capítulo 9). Durante los últimos años se ha puesto de manifiesto la necesidad de una reevaluación detallada de la radiosensibilidad del cristalino. Varios estudios epidemiológicos han destacado una mayor incidencia de cataratas que la prevista previamente. Por estas razones, la ICRP redujo el límite de exposición para los trabajadores de 150 mSv por año a 20 mSv en un año promedio durante períodos definidos de cinco años consecutivos, sin que en ningún año se excedan los 50 mSv (ICRP 2011). Por lo tanto, el gran interés en este tema es la evaluación esencial de la dosis ocupacional en cristalino y la protección del ojo. Gracias a la calificación física del tubo de rayos X bajo un punto de vista metrológico, fue posible utilizar esta instalación de irradiación como banco de pruebas para el desarrollo y pruebas de tipo (estudio sobre energía y respuesta angular) de un prototipo de un dosímetro de cristalino basado en semiconductores y desarrollado dentro del equipo de trabajo. Esta parte innovadora de mi trabajo de doctorado representa un estudio de I + D sobre la necesidad de dosimetría operativa.

This PhD project is focused on the qualification of an X-ray unit for dosimetrical applications. This thesis describes all the project in three different sections. The first part can be considered an introduction for depicting concepts and instruments used for this work. The theorical basis of the working principle of an X-ray tube is explained in Chapter 1. Chapter 2 shows the quantities and units system on Radiation Protection. These first two chapters represent the theoretical background of my thesis. Chapter 3 depicts the laboratory assembled during the first part of my PhD work. The irradiation unit and the related laboratory were set up in the framework of a collaboration between INFN - Frascati National Laboratories (INFN - LNF), the Italian Space Agency (ASI) and Consorzio di ricerca Hypatia. The X-ray apparatus operates from 40 to 120 kV with currents up to 5 mA. Different filtrations can be implemented according to the desired beam quality. A mechanical bench allows positioning devices and samples at different distances from the anode of the X-ray tube. The second part shows the main results obtained with different experiments and tests to qualify the radiation output of the X-ray tube: • design and development of a monitor ion-chamber to measure the time-dependant output of the X-ray unit (Chapter 4); • determination the X-ray tube focus position, which is an important reference point of the irradiation line (Chapter 5); • experimental verification of the beam quality through HVL (Half Value Layer) measurements with ion-chamber for the best choice of adequate kilovolt-filtration combinations in order to achieve well-identified radiation qualities, as specified by relevant International Standards (ISO 4037). The beams from the narrow spectrum series (ISO 4037 N-series) were selected because their roughly mono-energetic energy distribution is well suited to study the response of devices as a function of the photon energy. The accordance between ISO values and experimental ones is excellent: the discrepancy is less than about 5% (Table 6-3, Chapter 6) . • study on the X-ray field uniformity (Chapter 7), which is an important task that the X-ray beam must comply with, because it is important that all the field areas are equivalent and wherever the device under test is placed, it is exposed to the same dose. Two different measurements techniques were involved to verify the uniformity. The first is based on a passive detector, Gafchromic film, and the second employs a silicon detector operating in current mode. The total field variability is about 11% within a central region of 8 cm radius (paragraph 7.4, Chapter 7). • spectral measurement of the X-ray beams using semiconductor-based photon spectrometers (Silicon and Cadmium-Telluride detector). These measurements lead a role for checking the continuum shape of bremsstrahlung spectrum and the endpoint energies of the spectral components in addition to the quality measurements of HVLs (Chapter 8). The spectra confirm what expected from HVL measurements: using the proper kilovolt-filtration combinations (written in the Table 6-3) is possible to achieve the well-identified radiation qualities of the N-series, the narrow series of ISO 4037, useful as calibrating reference. The activity for the last part of my PhD thesis was focused on an innovative active detector for eye-lens dosimetry (Chapter 9). During the last years the need of a detailed re-evaluation of the eye lens radio-sensitivity was put in evidence. Various epidemiological studies highlighted a higher incidence of cataracts than previously foreseen. For these reasons the ICRP reduced the exposure limit for workers from 150 mSv per year to 20 mSv in a year averaged over defined periods of five consecutive years, with no single year exceeding 50 mSv (ICRP 2011). Therefore, the keen interest on this topic is for the essential evaluation of the occupational eye dose and eye protection. Thanks to the physical qualification of the X-ray tube under a metrological point of view, it was possible to use this irradiation facility as test bench for the development and type testing (study on energy and angular response) of a semiconductor-based prototype of an eye-lens dosimeter developed within the work team. This innovative part of my PhD work represents a R&D study on a need for operational dosimetry.