Integration of computation methods into radiation sterilization process

Authors have developed the computer technology for simulation of practical tasks in radiation sterilization process in accordance with Method 1, Standard ISO 11137 and IAEA Code of Practice. The technology was realized on the base of the RT-Office modules for modeling by Monte Carlo method of an absorbed dose in an irradiated heterogeneous targets with electron beam (EB), X-ray and gamma-ray and specialized software ModeSAL. The software ModeSAL was used for simulation and comparative analysis of a sterility assurance level (SAL) and a sterilizing dose for bioburden to achieve a required SAL in an irradiated product. The mathematical approach of the technology is based on the detailed and precise consideration of a self-consistent physical and geometrical models of calculation an EB, X-ray and gamma-ray dose maps in an irradiated product, a SAL, a sterilizing dose and the spatial and time uncertainties for dose provided to an irradiated product. The analysis of interrelations between parameters of EB radiation facility and values of a SAL and a sterilizing dose are considered. Разработана компьютерная технология для решения практических задач процесса радиационной стерилизации в соответствии со стандартом ISO 11137 и кодами практики МАГАТЭ. Технология реализована на основе модулей RT-Office и специализированного программного обеспечения ModeSAL. Модули RT-Office предназначены для расчета методом Монте-Карло поглощенной дозы в гетерогенных мишенях, облучаемых пучками электронов, тормозным или гамма излучением. Программное обеспечение ModeSAL использовалось для моделирования и сравнительного анализа уровня стерильности и стерилизационной дозы для микробной контаминации в облучаемом продукте. Математический подход технологии основан на детальном и корректном учете самосогласованных физических и геометрических моделей расчета поля дозы электронов, тормозного и гамма излучения, уровня стерильности и стерилизационной дозы а также пространственных и временных неоднородностей дозы в облучаемой мишени. Проводится анализ взаимосвязи между параметрами радиационного оборудования пучков электронов и величинами уровня стерильности и стерилизационной дозы

Determination of the average absorbed energy of electrons beam in objects at radiation processing

A new conservative computational procedure is proposed for calculating the average absorbed energy of electron radiation in objects undergoing radiation processing. Semi-empirical relationships were obtained and software for dosimetry of electron radiation was developed. A comparison was made of the results obtained using the proposed method with the results of known and traditional methods of electron radiation dosimetry as well as with the results of measurements performed at the sterilization center of the Institute of Nuclear Chemistry and Technology, Warsaw, Poland was carried out.Запропоновано нову консервативну обчислювальну процедуру розрахунку середньої поглиненої енергії випромінювання електронів в об'єктах, які проходять радіаційну обробку. Отримано напівемпіричні співвідношення і створено програмне забезпечення для дозиметрії електронного випромінювання. Проведено порівняння результатів, отриманих з використанням запропонованого методу, з результатами відомих і традиційних методів дозиметрії електронного випромінювання, а також з результатами вимірювань, виконаних у стерилізаційному центрі Інституту ядерної хімії і технологій, Варшава, Польща.Предложена новая консервативная вычислительная процедура расчета средней поглощенной энергии излучения электронов в объектах, проходящих радиационную обработку. Получены полуэмпирические соотношения и создано программное обеспечение для дозиметрии электронного облучения. Проведены сравнения результатов, полученных с использованием предложенного метода, с результатами известных и традиционных методов дозиметрии электронного излучения, а также с результатами измерений, выполненных в стерилизационном центре Института ядерной химии и технологий, Варшава, Польша

RT-office for optimization of industrial EB and X-ray processing

The conception for design of the Radiation-Technological Office (RT-Office) was developed by authors. RTOffice realize computer technologies at all basic stages of works execution on the radiation-technological lines (RTL) using irradiators of electron beam (EB), X-ray and γ-ray. The description of the programs ModeRTL and XRSoft which are intended for simulation of EB and X-ray processing is considered in the paper.Концепція Радіаційно-Технологічного Офісу (РТ-Офіс) була розроблена авторами. РТ-Офіс реалізує комп'ютерні технології на всіх етапах виконання робіт на радіаційно-технологічних лініях з випромінювачами електронів, X-ray і γ-ray. Представлено опис програм ModeRTL і XR-Soft, призначених для моделювання радіаційно-технологічних процесів.Концепция Радиационно-Технологического Офиса (РТ-Офис) была разработана авторами. РТ-Офис реализует компьютерные технологии на всех этапах выполнения работ на радиационно-технологических линиях с излучателями электронов, X-ray и γ-ray. Представлено описание программ ModeRTL и XR-Soft, предназначенных для моделирования радиационно-технологических процессов

Dose field formation in thin films irradiated by electron beams: comparison of the Monte Carlo simulation with dosimetry

The simulation of the absorbed dose distribution into thin films with different thickness inserted between flat boundaries of two homogeneous materials as well as the absorbed dose distribution near to boundaries of these materials irradiated with a scanned electron beam were fulfilled. Films inserted in multi-layer targets were parallel orientated with an incident electron beam (EB). The simulation was performed by the Monte Carlo (MC) method with utilization of the software ModePEB which was designed for predictions of a dose distribution in heterogeneous targets irradiated by EB with the electron energy range from 0.1 to 25 MeV. Comparison results of MC simulation with dosimetry for electron dose distribution formation in multi-layer targets with thin films is discussed. Проведено моделирование распределения поглощенной дозы в тонких пленках разной толщины, расположенных между плоскими границами двух гомогенных материалов, а также распределения поглощенной дозы вблизи границы этих материалов, облучаемых сканирующим пучком электронов. Пленки в многослойных мишенях были ориентированы параллельно падающему пучку электронов. Моделирование проводилось методом Монте Карло с использованием программы ModePEB, разработанной для предсказаний распределения дозы в гетерогенных мишенях, облучаемых пучком электронов с энергией от 0.1 до 25 МэВ. Обсуждается сравнение результатов Монте Карло моделирования с дозиметрией для формирования распределения дозы электронов в многослойных мишенях с тонкими пленками. Проведено моделювання розподілу поглиненої дози в тонких плівках різної товщини, розташованих між плоскими границями двох гомогенних матеріалів, а також розподіл поглиненої дози біля границі цих матеріалів, що опромінюються сканованим пучком електронів. Плівки у багатошарових мішенях були орієнтовані паралельно падаючому пучку електронів. Моделювання проводилось методом Монте Карло із використанням програми ModePEB, яку розроблено для передбачення розподілу дози в гетерогенних мішенях, що опромінюються пучком електронів з енергією від 0.1 до 25 МеВ. Обговорюються порівняння результатів Монте Карло моделювання із дозиметрією для формування розподілу дози електронів у багатошарових мішенях із тонкими плівками

Experimental benchmarking of software ModeStEB for simulation electron beam processing

Introduction success of radiation technologies into practice substantially depends on development of computational dosimetry which is based on accurate and validated programs, capable effectively calculate absorbed dose in processes of an irradiation. The simulation of the absorbed dose distributions into thin polyvinylchloride dosimetric films located in the stack of plates of a reference materials irradiated with a scanned electron beam was performed. Modeling of electron beam dose distributions in the multi-layer packages was accomplished using the Monte Carlo method in a three-dimensional geometrical model with utilization of the software ModeStEB. Results of benchmarking experiment for the software ModeStEB, which is used for simulation of industrial electron beam processing, are considered.Успех внедрения радиационных технологий в практику существенно зависит от развития компьютерной дозиметрии основанной на точных и валидированных программах, способных эффективно рассчитывать поглощенную дозу в процессах облучения. Проведено моделирование распределения поглощенной дозы в тонких поливинилхлоридных дозиметрических пленках, расположенных в пакете пластин из известных материалов, который облучался сканирующим пучком электронов с энергией 10 МэВ. Моделирование распределения поглощенной дозы пучка электронов в многослойном пакете проводилось методом Монте Карло в трехмерной геометрии с использованием программы ModeStEB. Обсуждаются результаты экспериментальной проверки программы ModeStEB, которая используется для моделирования промышленных электронно-лучевых технологий. Успіх впровадження радіаційних технологій у практику суттєво залежить від розвитку комп’ютерної дозиметрії, яка грунтується на точних та валідірованих програмах, здатних моделювати поглинену дозу в процесах опромінення. Проведено моделювання розподілу поглиненої дози в тонких полівінілхлоридних плівках, розташованих у пакеті пластин із відомих матеріалів, які опромінювались скануючим пучком електронів з енергією 10 МеВ. Моделювання розподілу поглиненої дози у багатошаровому пакеті проводилось методом Монте Карло у трьох-вимірній геометрії із використанням програми ModeStEB. Обговорюються результати експериментальної перевірки програми ModeStEB, яка використовується для моделювання промислових електронно-променевих технологій

Dosimetry method based on a two-parametric model of electrons beam for radiation processing

The work is devoted to development of electron dosimetry methods for radiation technologies. In authors previous work it was shown that use of two parametric models of electron beam makes it possible to correctly approximate the measurements results of depth dose distributions. In this paper, we describe the method of electron radiation based on a two-parameter electron beam model and basic semiempirical relations of this method. Approbation of proposed methods of radiation dosimetry based on measurements was performed in the sterilization center of the Institute of Nuclear Chemistry and Technology, Warsaw, Poland.Робота присвячена розробці методів дозиметрії електронів для радіаційних технологій. У попередній роботі авторів показано, що використання двопараметричних моделей електронного пучка дозволяє правильно аппроксимірувати результати вимірів розподілів глибинних доз. В даній роботі описується метод електронного випромінювання на основі двопараметричної моделі електронного пучка та основних напівемпіричних співвідношень цього методу. Проведена апробація запропонованих методів дозиметрії електронного випромінювання на основі вимірювань, проведених у центрі стерилізації Інституту ядерної хімії та технологій, Варшава, Польща.Работа посвящена разработке методов дозиметрии электронов для радиационных технологий. В предыдущей работе авторов показано, что использование двухпараметрических моделей электронного пучка позволяет правильно аппроксимировать результаты измерений распределений глубинных доз. В настоящей работе описывается метод электронного излучения на основе двухпараметрической модели электронного пучка и основных полуэмпирических соотношений этого метода. Проведена апробация предложенных методов дозиметрии электронного излучения на основании измерений, проведенных в центре стерилизации Института Ядерной Химии и Технологий, Варшава, Польша

Two-parametric beam model for dosimetry of the process of electron irradiation of materials with low density and atomic number

The work is devoted to studying the possibility of using a two-parametric model of an electron beam to describe the depth distributions of the electron dose in materials with a low density and an effective atomic number. In this model, the parameters are determined by fitting the semi-empirical model (PFSEM-method) to the results of measurements of the depth-dose distribution in a dosimetric wedge. The depth-dose distributions in a birchwood wedge were measured at the Institute of Nuclear Chemistry and Technology in Warsaw, Poland. The parameters of the electron beam incident on the wedge were determined by the PFSEM method. The Monte Carlo simulations of the depth-dose distribution in the wedge for the process of electron irradiation, the characteristics of which are determined by the PFSEM method, have been carried out. It is shown that there is a satisfactory agreement between the measurement results and the Monte Carlo simulation of the depth-dose distribution. The advantages of describing depth-dose distributions in a wedge based on a two-parametric model of an electron beam in comparison with traditional methods of polynomial approximation of measurement results are discussed.Робота присвячена дослідженню можливості використання двопараметричної моделі електронного пучка для опису розподілу дози електронів по глибині в матеріалах з низькою щільністю і ефективним атомним номером. У цій моделі параметри визначаються шляхом підгонки напівемпіричної моделі (PFSEM-метод) до результатів вимірювань розподілу дози по глибині в дозиметричному клині. Розподіл дози по глибині в клині з березової деревини було виміряно в Інституті ядерної хімії та технологій в Варшаві, Польща. Параметри падаючого на клин електронного пучка визначалися методом PFSEM. Проведено моделювання методом Монте-Карло розподілу дози по глибині в клині для процесу електронного опромінення, характеристики якого визначені методом PFSEM. Показано, що існує згода між результатами вимірювань і моделюванням методом Монте-Карло розподілу дози по глибині. Обговорюються переваги опису розподілу дози по глибині в клині на основі двопараметричної моделі електронного пучка в порівнянні з традиційними методами поліноміальної апроксимації результатів вимірювань.Работа посвящена исследованию возможности использования двухпараметрической модели электронного пучка для описания распределения дозы электронов по глубине в материалах с низкой плотностью и эффективным атомным номером. В этой модели параметры определяются путем подгонки полуэмпирической модели (PFSEM-метод) к результатам измерений распределения дозы по глубине в дозиметрическом клине. Распределение дозы по глубине в клине из березовой древесины было измерено в Институте ядерной химии и технологий в Варшаве, Польша. Параметры падающего на клин электронного пучка определялись методом PFSEM. Проведено моделирование методом Монте-Карло распределения дозы по глубине в клине для процесса электронного облучения, характеристики которого определены методом PFSEM. Показано, что существует удовлетворительное согласие между результатами измерений и моделированием методом Монте-Карло распределения дозы по глубине. Обсуждаются преимущества описания распределения дозы по глубине в клине на основе двухпараметрической модели электронного пучка по сравнению с традиционными методами полиномиальной аппроксимации результатов измерений

Comparison of product irradiation technology on industrial Х-ray radiation facility

The comparison of various technologies of product irradiation with X-rays (bremsstrahlung) that is generated by industrial high-power electron beam accelerators is presented in the report. Computer modeling method was used for calculation the 3 dimensional absorbed dose distributions in the product containers on moving conveyor irradiated with scanned X-ray beams. The comparison of dose uniformity ratio in the irradiated product was performed for various technologies of product irradiation with X-ray. The variants of product containers movement in front of Xray converter in the range from 2 to 8 passes at different levels were considered.Приводится сравнение различных технологий облучения продукции тормозным излучением (ТИ), которое генерируется на промышленных ускорителях электронов большой мощности. Методом компьютерного моделирования рассчитывается 3-х мерное распределение поглощенной дозы в продукции, расположенной в контейнерах на движущемся конвейере, и облучаемой сканирующими пучками ТИ. Для различных технологий облучения продукции ТИ проведено сравнение неоднородности поглощенной дозы в облучаемой продукции. Рассматривались варианты перемещения продукции в контейнерах параллельно плоскости конвертера ТИ от двух до восьми проходов на разных уровнях.Наводиться порівняння різних технологій опромінення продукції гальмівним випромінюванням (ГВ), яке генерується на промислових прискорювачах електронів великої потужності. Методом комп'ютерного моделювання розраховується 3-вимірний розподіл поглиненої дози в продукції, розташованій в контейнерах на конвеєрі, що рухається, і опромінюваної скануючими пучками ГВ. Для різних технологій опромінення продукції ГВ проведено порівняння неоднорідності поглиненої дози в опромінюваній продукції. Розглядалися варіанти переміщення продукції в контейнерах паралельно площини конвертера ГВ від двох до восьми проходів на різних рівнях

Dose distribution in the heterogeneous materials irradiated by electron beams

The simulation of the absorbed depth-dose distribution (DDD) near the boundary of contacting materials with a different density and/or by effective atomic numbers of materials irradiated by a scanning electron beam was fulfilled. The experimental validation of the obtained theoretical predictions related with abnormal behavior of the DDD in heterogeneous materials was fulfilled on the radiation-technological lines with Linac LAE 13/9, INCT.Проведено моделювання розподілу поглиненої дози (РПД) на границі контактуючих матеріалів з різними щільностями і/чи атомними номерами, що опромінюються скануючим електронним пучком. Експериментальну перевірку теоретичних передбачень аномальної поведінки РПД у гетерогенних матеріалах проводили на радіаційно-технологічній лінії з лінійним прискорювачем електронів LAE 13/9, ІЯХТ, Варшава, Польща.Проведено моделирование распределения поглощенной дозы (РПД) на границе раздела веществ с различными плотностями и/или атомными номерами, облучаемых сканирующим электронным пучком. Экспериментальную проверку теоретических предсказаний аномального поведения РПД в гетерогенных материалах проводили на радиационно-технологической линии с линейным ускорителем электронов LAE 13/9, ИЯХТ, Варшава, Польша

Formation of electron beams with given spatial distributions by the scanner

In this article, the formation of given distributions of electron fluxes on the surfaces of irradiated objects using magnetic fields of one-dimensional and two-dimensional scanners was studied. The types of time-dependences of the change in the magnetic field was determined, providing both uniform and given distributions of the electron density on the irradiated surface. The influence of the energy and angular spread in the electron beam on the change in the density of particles on the surface was analyzed. The influence of these factors can be compensated by changing the magnetic field. For (X,Y)-scanner that generates electron beams: the main one (incident perpendicular to the object) and additional (incident angles of 60…75° from the perpendicular to the object), a significant effect of the energy spread on the incident angles of the additional beam was shown.Досліджено формування заданих розподілів потоків електронів на поверхнях опромінених об’єктів за допомогою магнітних полів одновимірного та двовимірного сканерів. Визначено види залежностей зміни магнітного поля від часу, що забезпечують як однорідні, так і задані розподіли щільності електронів на поверхні, що опромінюється. Проаналізовано вплив енергетичного та кутового розкидів у пучку електронів що до зміни щільності частинок на поверхні. Вплив цих факторів може компенсуватися зміною магнітного поля. Для (X,Y)-сканера, що створює пучки електронів: основний (падає перпендикулярно об’єкту) і додатковий (кути падіння 60…75° від перпендикуляра до об'єкта), показано значний вплив енергетичного розкиду на кути падіння додаткового пучка.Исследовано формирование заданных распределений потоков электронов на поверхностях облучаемых объектов при помощи магнитных полей одномерного и двумерного сканеров. Определены виды зависимо-стей изменения магнитного поля от времени, обеспечивающие как однородные, так и заданные распределения плотности электронов на облучаемой поверхности. Проанализировано влияние энергетического и углового разбросов в пучке электронов на изменение плотности частиц на поверхности. Влияние этих факторов может быть компенсировано изменением магнитного поля. Для (X,Y)-сканера, создающего пучки электро-нов: основной (падающий перпендикулярно объекту) и дополнительный (углы падения 60…75° от перпендикуляра к объекту), показано существенное влияние энергетического разброса на углы падения дополнительного пучка