Таблица 3 Пробеги альфа-частиц в воздухе, биологической ткани и алюминии
|
Энергия альфа частиц Еα, МэВ |
Воздух, см |
Биологическая ткань, мкм |
Алюминий, мкм |
|
4,0 |
2,5 |
31 |
16 |
|
4,5 |
3,0 |
37 |
20 |
|
5,0 |
3,5 |
43 |
23 |
|
6,0 |
4,6 |
56 |
30 |
|
7,0 |
5,9 |
72 |
38 |
|
8,0 |
7,4 |
91 |
48 |
|
9,0 |
8,9 |
110 |
58 |
|
10 |
10,6 |
130 |
69 |
Характеристики ионизирующих излучений. Единицы измерения
Для установления закономерностей распространения и поглощения ионизирующих излучений в среде, в том числе и в биологической ткани, введены следующие основные характеристики: энергия частиц и гамма-квантов, плотность потока частиц (фотонов), флюенс-частиц (фотонов), поглощенная доза, мощность поглощенной дозы, керма, экспозиционная доза фотонного излучения, мощность экспозиционной дозы, эквивалентная доза, мощность эквивалентной дозы, эффективная доза, полувековая эквивалентная доза, коллективная эквивалентная доза и др.
Рассмотрим только некоторые характеристики, которые будут использованы на практических занятиях.
Энергия частиц или гамма-квантов – Е выражается в Джоулях или электрон-вольтах (эВ). Величина Джоуль используется в системе СИ, электрон вольт (эВ) – внесистемная единица.
1эВ = 1,6.10–19Дж (12)
где: 1эВ – это энергия, которую приобретает электрон, ускоренный разностью потенциалов в 1В.
Плотность потока частиц (гамма-квантов) j – выражается числом частиц (гамма-квантов), падающих на единицу поверхности в единицу времени. Поверхность расположена нормально к направлению движения частиц. Единица измерения – частица/м2 с.
Флюенс частиц (фотонов) характеризует полное число частиц, прошедших через единичную поверхность за все время облучения:
Ф = jt (13)
Единица измерения флюенса – частица/м2.
· Исторически получилось так, что сначала были открыты гамма-лучи. Было замечено, что они имеют свойство ионизировать воздух. Поэтому для характеристики поля было введено понятие экспозиционная доза.
Экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излучения характеризует их способность создавать в веществе заряженные частицы. Выражается отношением суммарного электрического заряда ионов одного знака Q, образованного излучением в некотором объеме воздуха к массе dm в этом объеме:
Х = dQ/dm (14)
Единица измерения в системе СИ – Кулон/кг, внесистемная единица – Рентген.
1 Рентген – это доза фотонного излучения, при прохождении которого через 1см3 сухого воздуха при температуре 0°С, давлении 1013гПа (760 мм рт. ст.), образуется 2.109 пар ионов, несущих электрический заряд в одну электростатическую единицу количества электричества данного знака.
Доза в 1Р накапливается за 1 час на расстоянии 1м от источника радия массой в 1г, т.е. активностью в 1Ки.
Между единицами существует следующая зависимость: 1Р = 2,58·10–4 Кл/кг; 1Кл/кг = 3,876.103 Р.
Учитывая, что экспозиционная доза накапливается во времени, на практике используется и понятие мощность экспозиционной дозы или уровень радиации.
Мощность экспозиционной дозы – отношение приращения экспозиционной дозы dХ за интервал времени dt к этому интервалу:
= dх/dt (15)
Единицы измерения: в системе СИ – А/кг; внесистемная единица – Р/с, Р/ч, мР/ч, мкР/ч и т.д.
· После того, как были открыты бета-излучение и альфа-излучение, стал вопрос оценки этих излучений при взаимодействии с окружающей средой. Экспозиционная доза для оценки оказалась непригодной. Поэтому была предложена, казалось бы, универсальная характеристика – поглощенная доза.
Поглощенная доза – количество энергии Е, переданное веществу излучением любого вида пересчете на единицу массы m любого вещества:
D = dE/dm, (Дж/кг). (16)
1Дж/кг = 1Грей. Внесистемная единица – рад (радиационная адсорбционная доза). 1Грей = 100 рад. Можно использовать и дробные значения единиц, например: мГр, мкГр, мрад, мкрад и др.
Доза в органе или биологической ткани (DT) – средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела:
DT = WТ/mT (17)
где WТ – полная энергия, переданная ионизирующим излучением ткани или органу; mT – масса органа или ткани; DT – средняя поглощенная доза в массе ткани dm.
Вредное воздействие ионизирующих излучений на человека зависит не только от полученной дозы, но и от времени, за которое она получена, поэтому введено понятие мощность поглощенной дозы.
Мощность поглощенной дозы – отношение приращения поглощенной дозы dD за время dt:
= Р = dD/dt (18)
Единицы измерения мощности дозы: рад/с, Гр/с, рад/ч, Гр/ч и т.д.
Мощность поглощенной дозы в ряде случаев можно рассматривать как величину постоянную или изменяющуюся по экспоненте, т.е.:
Р = соnst или Р = Рое – 0,693 t/T (19)
· Замечено, что при облучении одной и той же энергией биологической ткани человека, (т.е. при получении одной и той же дозы), но различными видами лучей последствия для здоровья будут разными. Например, если при облучении альфа частицами вероятность заболеть раком очень высокая, то при облучении бета- частицами значительно меньше, а при облучении гамма-лучами еще меньше. Поэтому для биологической ткани была введена характеристика – эквивалентная доза.
Эквивалентная доза (НТ.R) – поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий коэффициент качества излучения К данного вида излучения R. Введена для оценки последствий облучения биологической ткани малыми дозами (дозами, не превышающими 5 предельно-допустимых доз при облучении всего тела человека), т.е. 250 мЗв/год. Ее нельзя использовать для оценки последствий облучения большими дозами. Доза эквивалентная равна:
НT.R = DT.R • WR, (20)
где: DT.R – поглощенная доза биологической тканью излучением R; WR – коэффициент качества для отдельных видов излучений R (альфа-частиц, бета-частиц, гамма-квантов и др.), учитывающий относительную эффективность различных видов излучения в индуцирования биологических эффектов (табл.4). Формула (20) справедлива для оценки как внешнего, так и внутреннего облучения только отдельных органов и тканей или равномерного облучения всего тела человека. При воздействии различных видов излучений одновременно с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для всех этих видов излучения R:
НТ = Σ НТ.R (21)
· Установлено, что при одной и той же поглощенной дозе биологический эффект зависит от вида ионизирующих излучений и плотности по тока излучения.
Единица измерения эквивалентной дозы в системе СИ: Зиверт (Зв).
Зиверт – единица эквивалентной дозы излучения любой природы в биологической ткани, которая создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр образцового рентгеновского и гамма-излучения.
Существует и внесистемная единица – бэр (биологический эквивалент рада), которая постепенно изымается из пользования. 1 Зв = 100 бэр.
Таблица 4 Коэффициенты качества излучения
|
Вид излучения и диапазон энергии |
Коэффициенты качества WR |
|
Фотоны всех энергий |
1 |
|
Электроны всех энергий |
1 |
|
Альфа-частицы |
20 |
|
Нейтроны с энергией: |
|
|
< 10 кэВ |
5 |
|
от 10 кэВ до 100 кэВ |
10 |
|
> 100 кэВ до 2 Мэв |
20 |
|
> 2 МэВ до 20 МэВ |
10 |
|
> 20 МэВ |
5 |
|
Протоны с энергией более 2МэВ, кроме протонов отдачи |
5 |
|
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра |
20 |
|
Примечание. Все значения относятся к излучению, падающему на тело, а в случае внутреннего облучения – испускаемому при ядерном превращении. |
|
Мощность эквивалентной дозы – отношение приращения эквивалентной дозы dH за время dt:
= dH/dt (22)
Единицы измерения мощности эквивалентной дозы м Зв/с, мкЗв/с, бэр/с, мбэр/с и т.д.
В случае неравномерного облучения тела человека формула (20) не может быть использована, так как биологический эффект может оказаться другим. Поэтому введена "эффективная доза".
Эффективная доза (Е) – это такая доза при неравномерном облучении тела человека, которая равна эквивалентной дозе при равномерном облучении всего организма, при которой риск неблагоприятных последствий будет таким же, как и при неравномерном облучении тела человека.
Учет неравномерного облучения производится с помощью коэффициента радиационного риска (взвешивающий коэффициент), который учитывает радио чувствительность различных органов человека:
Е = SHiWTi, (23)
где Нi - эквивалентная доза в данном i-том органе, биологической ткани; WTi - взвешивающий коэффициент для тканей и органов, учитывающий чувствительность разных органов и тканей при возникновении стохастических эффектов радиации в i-м органе; сумма рассматривается по всем тканям т.
Взвешивающий коэффициент характеризует отношение стохастического риска поражения какого-либо органа или ткани к риску поражения всего организма при равномерном облучении всего тела. Риск поражения всего организма принимают равным 1, т.е. сумма i-х коэффициентов риска равна 1. Рекомендуемые МКРЗ значения WTi приведены в таблице 5. Единицы измерения те же, что и эквивалентной дозы.
Таблица 5 Взвешивающие коэффициенты WT*
|
Ткань или орган |
Коэффициент WTI |
|
Половые железы |
0,20 |
|
Красный костный мозг |
0,12 |
|
Толстый кишечник |
0,12 |
|
Легкие |
0,12 |
|
Желудок |
0,12 |
|
Мочевой пузырь |
0,05 |
|
Молочные железы |
0,05 |
|
Печень |
0,05 |
|
Пищевод |
0,05 |
|
Щитовидная железа |
0,05 |
|
Кожа, клетки костных поверхностей |
0,01 |
|
Остальные органы |
0,05 |
Подчеркнем, что и эквивалентная и эффективная доза являются величинами, которые предназначены для применения в радиационной безопасности для оценки вероятности стохастических эффектов.
Отметим, что 1Р соответствует 0,873 рада в воздухе и 1Р соответствует 0,95 рада в биологической ткани.
Полувековая эквивалентная доза. Поглощенная доза при внешнем облучении формируется в то самое время, когда ткань или орган находятся в поле излучения. Однако при внутреннем облучении формирование суммарной поглощенной дозы растягивается во времени, и она накапливается постепенно по мере радиоактивного распада радионуклида и его выведения из организма. Распределение во времени поглощенной дозы зависит от типа радионуклида, его физико-химической формы, характера поступления и ткани, в которой он откладывается. Для учета этого распределения и введено понятие полувековая эквивалентная доза. Она представляет собой временной интеграл мощности эквивалентной дозы в определенной ткани (органе). В качестве предела интегрирования МКРЗ установила 50 лет для взрослых и 70 лет для детей (рис.12).
Полувековая эффективная доза может быть получена, если умножить полувековые эквивалентные дозы в отдельных органах на соответствующие весовые множители WT и затем их просуммировать.
Коллективная эквивалентная доза (Sт) в ткани Т применяется для выражения общего облучения конкретной ткани у группы лиц на основе таблицы 5.
Коллективная эффективная доза (S) относится, в целом, к облученной популяции. Она равна произведению средней эффективной дозы на число лиц в облученной группе. В определении коллективной эквивалентной и коллективной эффективной доз не указано время, за которое она получена. Поэтому обычно указывается и время, за которое получена доза для группы лиц. Единицы коллективных доз – чел*Зв и чел*бэр.
Основные способы обнаружения и измерения ионизирующих излучений
Для решения задач радиационной безопасности необходимо знать основные характеристики ионизирующих излучений. Известно, что все ионизирующие излучения взаимодействуют со средой и вызывают изменения ее физических и химических свойств. Это и используется для обнаружения и измерения характеристик ионизирующих излучений.
Наиболее распространенные способы регистрации: фотографический, химический, полупроводниковый, сцинтилляционный, биологический, ионизационный.
Фотографический – основан на потемнении фотоэмульсии под воздействием ионизирующих излучений (разновидность химического).
Химический – основан на измерении концентрации ионов воды, которые появились в результате ее облучения ионизирующими излучениями. Можно использовать свойство некоторых веществ изменять свой цвет под воздействием излучений.
Полупроводниковый – основан на том, что некоторые полупроводники изменяют свое сопротивление под воздействием ионизирующих излучений.
Сцинтилляционный – основан на том, что некоторые вещества под воздействием ионизирующих излучений испускают фотоны видимого света.
Биологический – основан на исследовании состава крови и структуры зубов.
Ионизационный – основан на ионизации газов.
