Напівемпіричні моделі керування електронним променем для радіаційної стерилізації
Анотація
Для проведення радіаційної стерилізації необхідно визначати допустимі режими опромінення, що здійснюється за допомогою методів комп'ютерної дозиметрії. На сьогодні вибір оптимальних режимів опромінення може ґрунтуватися на моделях кривої залежності дози від глибини при різних кутах падіння електронного пучка на шар речовини. У цій роботі для розробки таких моделей використано розподіл переданої енергії в об'ємі мішені, ініційований нормальним падінням точкового пучка випромінювання на поверхню напівбезкінечного середовища (об'єкт Dose-Map). Напівемпіричні моделі об'єкта Dose-Map розроблені на основі двох припущень. Одна з них полягає в тому, що мішень має осьову симетрію відносно напрямку падіння частинок випромінювання на мішень. Друге полягає в тому, що просторовий розподіл дози є рівномірним або нормальним (розподіл Гауса) у поперечних перерізах об'єкта Dose-Map на всіх глибинах. Для двопараметричної апроксимації об'єкта Dose-Map запропоновано тривимірні геометричні фігури, поверхні яких утворюються обертанням графіків степеневих функцій навколо осі абсцис. Напівемпіричні моделі розроблені на основі припущення, що параметри об'єкта Dose-Map у його власній системі координат не змінюються при зміні кута падіння променя. Отримано вирази для розрахунку кривих глибинної дози від випромінювання, що падає на мішень під кутом θ, у вигляді інтегрального перетворення кривої глибинної дози для нормального падіння пучка випромінювання на мішень. Розроблено програмне забезпечення для розрахунку кривих залежності дози від глибини в напівбезмежному середовищі при рівномірному опроміненні електронним пучком. Тестово реалізовані алгоритми розрахунку кривих залежності дози від глибини від електронного пучка, що падає на мішень під кутом θ. Встановлено задовільну узгодженість між результатами, отриманими за допомогою розроблених напівемпіричних моделей, та результатами моделювання методом Монте-Карло кривих залежності дози від глибини при різних кутах падіння електронного променя на мішень. Встановлено добру узгодженість між результатами, отриманими за допомогою напівемпіричної моделі "Конус", та результатами, отриманими за допомогою розроблених двопараметричних напівемпіричних моделей SEM2U та SEM2N. За допомогою числових методів досліджено можливості розроблених двопараметричних моделей для більш повного опису технологічних характеристик процесу радіаційної стерилізації. Наведено приклади, де розроблені двопараметричні моделі дають можливість одночасно описувати дві технологічні характеристики процесу двостороннього опромінення: оптимальну товщину мішені та коефіцієнт рівномірності дози (DUR) у мішені. Узгоджені дані щодо цих характеристик дають можливість обґрунтовано вибирати оптимальні режими опромінення електронним променем під час радіаційної стерилізації. Зазначено можливості використання запропонованого в цій статті підходу для розробки набору напівемпіричних моделей комп'ютерної дозиметрії процесів опромінення в радіаційних технологіях.
Завантаження
Посилання
S. Schiller, U. Heisig, and S. Panzer, Electron Beam Technology, (John Wiley & Sons Inc, 1995).
M. Reiser, Theory and Design of Charged Particle Beams, (John Wiley & Sons, 2008).
R.C. Davidson, and H. Qin, Physics of Intense Charged Particle Beams in High Energy Accelerators, (World Scientific, Singapore, 2001).
ICRU REPORT 35, Radiation dosimetry: electron beams with energies between 1 and 50 MeV, (ICRU, 1984), p. 168.
R.J. Woods, and A.K. Pikaev, Applied radiation chemistry: radiation processing, (Wiley, New York, 1994).
ISO/ASTM Standard 51649, Practice for dosimetry in an e-beam facility for radiation processing at energies between 300 keV and 25 MeV, (ASTM Standards, vol. 12.02, 2005).
Yu. Pavlov, and P. Bystrov, Radiation Physics and Chemistry, 196, 110110 (2022). https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2022.110110
Z. Zimek, Radiation Physics and Chemistry, 189, 109713 (2021), https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2021.109713
S. Howard, and V. Starovoitova, Applied Radiation and Isotopes, 96, 162 (2015). https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2014.12.003
R. Pomatsalyuk, S. Romanovskyi, V. Shevchenko, and V. Uvarov, Problems of Atomic Science and Technology, (5), 131 (2024). https://doi.org/10.46813/2024-153-131
R.I. Pomatsalyuk, S.K. Romanovsky, V.O. Shevchenko, V.Yu. Titov, D.V. Titov, and V.L. Uvarov, Problems of Atomic Science and Technology, (5), 117 (2024). https://doi.org/10.46813/2024-153-117
ASTM E2232-21 Standard Guide for Selection and Use of Mathematical Methods for Calculating Absorbed Dose in Radiation Processing Applications, (ASTM, 2021), p. 19. https://doi.org/10.1520/E2232-21
F. Salvat, J. Fernandez-Varea, J. Sempau, PENELOPE 2011: A Code System for Monte Carlo Simulation of Electron and Photon Transport, (Nuclear Energy Agency, 2012), p. 385.
S.-T. Jung, S.-H. Pyo, W.-G. Kang, Y.-R. Kim, J.-K. Kim, C.M. Kang, Y.-C. Nho, and J.-S. Park, Radiation Physics and Chemistry, 186, 109506 (2021). https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2021.109506
M. Rezzoug, M. Zerfaoui, Y. Oulhouq, A. Rrhioua, S. Didi, and D. Bakari, Radiation Physics and Chemistry, 235, 112828 (2025). https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2025.112828
D.J.S. Findlay, Nucl. Instrum. Methods A, 276(3), 598 (1989). https://doi.org/10.1016/0168-9002(89)90591-3
V.L. Uvarov, A.A. Zakharchenko, N.P. Dikiy, Yu.V. Lyashko, R.I. Pomatsalyuk, V.A. Shevchenko, and Eu.B. Malets, Problems of Atomic Science and Technology, (6), 180 (2023). https://doi.org/10.46813/2023-148-180
V.L. Uvarov, A.A. Zakharchenko, N.P. Dikiy, R.I. Pomatsalyuk, and Yu.V. Lyashko, Applied Radiation and Isotopes, 199, 110890 (2023). https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2023.110890
V.G. Rudychev, M.O. Azarenkov, I.O. Girka, V.T. Lazurik, and Y.V. Rudychev, Radiation Physics and Chemistry, 206, 110815 (2023). https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2023.110815
V.L. Uvarov, A.A. Zakharchenko, N.P. Dikiy, YuV. Lyashko, and R.I. Pomatsalyuk, Radiation Physics and Chemistry, 214, 111547 (2024). https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2024.111547
V.G. Rudychev, V.T. Lazurik, and Y.V. Rudychev, Radiation Physics and Chemistry, 186, 109527 (2021). https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2021.109527
M. Rosenstein, H. Eisen, and J. Silverman, Journal of Applied Physics, 43, 3191 (1972). https://doi.org/10.1063/1.1661684
V. Lazurik, S. Sawan, V. Lazurik, and O. Zolotukhin, in: 4th International Maghreb Meeting of the Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering Proceedings, (IEEE, Maghreb, 2024), pp. 649–653. https://doi.org/10.1109/MI-STA61267.2024.10599694
I. Melnyk, A. Pochynok, and M. Skrypka, System Research and Information Technologies, (4), 133 (2024). https://doi.org/10.20535/SRIT.2308-8893.2024.4.11
S.V. Denbnovetsky, V.I. Melnik, I.V. Melnik, and B.A. Tugay, in: XVIII-th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum Proceedings, (IEEE, Eindhoven, 1998), pp. 637-640. https://doi.org/10.1109/DEIV.1998.738530
I.V. Melnik, and B.A. Tugay, Radioelectronics and Communications Systems, 55, 514 (2012). https://doi.org/10.3103/S0735272712110064
V. Lazurik, S. Sawan, V. Lazurik, and V. Rudychev, in: 3rd International Maghreb Meeting of the Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering Proceedings, (IEEE, Maghreb, 2023), pp. 25–29. https://doi.org/10.1109/MI-STA57575.2023.10169519
T. Tabata, P. Andreo, and K. Shinoda, Radiation Physics and Chemistry, 53, 205 (1998). https://doi.org/10.1016/S0969-806X(98)00102-9
Авторське право (c) 2025 Ігор О. Гірка, Валентин Т. Лазурик
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
