Застосування напівемпіричних моделей управління пучком електронів у технології радіаційної стерилізації
Анотація
Для використання напівемпіричних моделей необхідно аналізувати дані, які регулярно реєструються під час контролю процесів опромінення, та обробляти ці дані для визначення значень параметрів напівемпіричних моделей. У цій роботі як реєстровані дані використано глибинні криві дози, виміряні у Центрі радіаційної стерилізації INCT, Варшава, Польща. Описано метод проведених вимірювань і представлено аналіз особливостей глибинних кривих дози, які було виміряно методом дозиметричного клина. Визначено області глибин, в яких результати вимірювань можуть бути використані без спеціальної обробки в якості значень глибинної кривої дози в дозиметричному клині. Розроблено спеціальні процедури апроксимації та екстраполяції результатів вимірювань для отримання значень базової залежності напівемпіричних моделей - значення глибинної кривої дози при нормальному падінні пучка електронів на напівнескінченне середовище. Розроблено спеціальні процедури обробки результатів вимірювань на базі методу PFSEM (двопараметрична підгонка параметрів напівемпіричної моделі глибинних кривих дози). Запропоновано та реалізовано процедуру виключення внеску гальмівного випромінювання зі значень глибинних кривих дози. Величину цього внеску оцінено як середнє значення дози в інтервалі хвоста гальмівного випромінювання, і припущено, що величина внеску гальмівного випромінювання в дозу не змінюється з глибиною. Запропоновано метод вибору значень параметрів підгонки моделей на основі припущення про слабку залежність параметрів підгонки від енергії електронів. На основі запропонованого методу визначено параметри підгонки напівемпіричних моделей за результатами моделювання методом Монте-Карло глибинних кривих дози при опроміненні шару моноенергетичним пучком електронів. Проведено порівняння результатів вимірювань із результатами розрахунку глибинних кривих дози, виконаних за напівемпіричними моделями, при опроміненні шару пучками електронів з різними кутами падіння на алюмінієвий дозиметричний клин. На основі результатів порівняння обговорено похибки прогнозів моделей і можливість реалізації методів оптимізації процесів опромінення на основі вибору кута падіння електронів на поверхню опромінюваного об'єкта.
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, “Software and hardware complex for radiation processing facility control,” Radiation Physics and Chemistry, 196, 110110 (2022). https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2022.110110
V.T. Lazurik, V.M. Lazurik, G.P. Popov, and Z. Zimek, “Dosimetry method based on a two-parametric model of electrons beam for radiation processing,” Problems of Atomic Science and Technology, 112(6), 137–141 (2017).
J.E. Arellano, L.A. Diaz-Torres, J.P. Córdova, J.L. Cervantes, J.A. Elias, M.A. Sosa, and M.A. Vallejo, “Thermoluminescent properties of NASICON glass-ceramics under electron beam irradiation,” Journal of Alloys and Compounds, 1056, 186585, (2026). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.186585
S. Howard, and V. Starovoitova, “Target optimization for the photonuclear production of radioisotopes,” 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, “Real Time Luminescent Dosimetry System for Product Processing at Aa Electron Accelerator,” 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, “Analysis of Uncertainty Sources in Dose Measurement at an Industrial Electron Accelerator,” Problems of Atomic Science and Technology, (5), 117 (2024). https://doi.org/10.46813/2024-153-117
I.V. Melnik, and S.B. Tugay, “Analytical calculations of anode plasma position in high-voltage discharge range in case of auxiliary discharge firing,” Radioelectronics and Communications Systems, 55, 514 (2012). https://doi.org/10.3103/S0735272712110064
D. Gregocki, P. Köster, L.U. Labate, S. Piccinini, F. Avella, F. Baffigi, G. Bandini, et al., “Real-Time Dose Monitoring via Non-Destructive Charge Measurement of Laser-Driven Electrons for Medical Applications,” Instruments, 9, 25 (2025). https://doi.org/10.3390/instruments9040025
I.A. Ivanov, “Application of the Lambert W Function to the Calculation of the Electron Transmission Coefficient and Bremsstrahlung Yield from the Bethe–Heitler Theory,” Physics of Atomic Nuclei, (2025). https://doi.org/10.1134/S1063778825090212
I.V. Melnyk, Radioelectronics and Communications Systems, 60, 319, (2017). https://doi.org/10.3103/S0735272717070056
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.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
M. Rosenstein, H. Eisen, and J. Silverman, Journal of Applied Physics, 43, 3191 (1972). https://doi.org/10.1063/1.1661684
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
I.O. Girka, V.T. Lazurik, Semi-empirical models of electron beam control for radiation sterilisation, East Eur. J. Phys. 3, 422 (2025), https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-3-45
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.V. Melnyk, “Simulation of energetic efficiency of triode high voltage glow discharge electron sources with account of temperature of electrons and its mobility in anode plasma,” Radioelectronics and Communications Systems, 56, 592 (2013), https://doi.org/10.3103/S0735272713120066
I. Melnyk, A. Pochynok, and M. Skrypka, “Comparison of methods for interpolation and extrapolation of boundary trajectories of short-focus electron beams using root-polynomial functions,” System Research and Information Technologies, 3, 77 (2024). https://doi.org/10.20535/SRIT.2308-8893.2024.3.05
S.V. Denbnovetsky, V. I. Melnik, I.V. Melnik, B.A. Tugay, in: XVIII-th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Proceedings, (ISDEIV, 1998), vol. 2, pp. 637–640. https://doi.org/10.1109/DEIV.1998.738530
I. Melnyk, A. Pochynok, M. Skrypka, and O. Demyanchenko, “Method of interpolation using root-fractional-rational functions of different orders,” Bulletin of Taras Shevchenko National University of Kyiv. Physics and Mathematics, 80(1), 130-138. (2025). https://doi.org/10.17721/1812-5409.2025/1.17
V. Lazurik, and V. Moskvin, “Monte Carlo calculation of charge-deposition depth profile in slabs irradiated by electrons,” Nucl. Instrum. Methods B, 108(3), 276 (1996). https://doi.org/10.1016/0168-583X(95)01052-1
T. Tabata, P. Andreo, and K. Shinoda, “An algorithm for depth–dose curves of electrons fitted to Monte Carlo data,” Radiation Physics and Chemistry, 53, 205 (1998). https://doi.org/10.1016/S0969-806X(98)00102-9
Авторське право (c) 2026 Валентин Т. Лазурик, Ігор О. Гірка, Олександр О. Золотухін, Збігнєв Зімек
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).
