Измерение дозы облучения. Основные единицы измерения ионизирующих излучений

Многие сталкиваются с трудностями при определении единиц измерения радиоактивного излучения и практическом использовании полученных значений. Сложности возникают не только из-за их большого разнообразия: беккерели, кюри, зиверты, рентгены, рады, кулоны, ремы и др., но и из-за того, что не все используемые величины связаны между собой кратными соотношениями и при необходимости могут переводиться из одних в другие.

Как разобраться?

Все довольно просто, если отдельно рассматривать единицы, связанные с радиоактивностью, как физическим явлением, и величины, измеряющие воздействие этого явления (ионизирующего излучения) на живые организмы и окружающую среду. А также, если не забывать о внесистемных единицах и единицах радиоактивности, действующих в системе СИ (Международная система единиц), которая была введена в 1982 году и обязательна к использованию во всех учреждениях и предприятиях.

Внесистемная (старая) единица измерения радиоактивности

Кюри (Ки) - первая единица радиоактивности, измеряющая активность 1 грамма чистого радия. Введенная с 1910 года и названная в честь французских ученых К. и М. Кюри, она не связана с какой-либо системой измерения и в последнее время утратила свое практическое значение. В России же кюри, несмотря на действующую систему СИ, разрешенная к использованию в области ядерной физики и медицины без срока ограничения.

Единицы радиоактивности в системе СИ

В СИ используется другая величина - беккерель (Бк), которая определяет распад одного ядра в секунду. Беккерель более удобен в расчетах, чем кюри, поскольку имеет не такие большие значения и позволяет без сложных математических действий по радиоактивности радионуклида определить его количество. Высчитав количество распадов 1 г радона, легко установить соотношение между Ки и Бк: 1 Ки = 3,7*1010 Бк, а также определить активность любого другого радиоактивного элемента.

Измерение ионизирующих излучений

С открытием радия было обнаружено, что излучение радиоактивных веществ влияет на живые организмы и вызывает биологические эффекты, сходные с действием рентгеновского облучения. Появилось такое понятие, как доза ионизирующего излучения - величина, которая позволяет оценивать воздействие радиационного облучения на организмы и вещества. В зависимости от особенностей облучения, выделяют эквивалентную, поглощенную и экспозиционную дозы:

1. Экспозиционная доза - показатель ионизации воздуха, возникающей под действием гамма- и рентгеновских лучей, определяется количеством образовавшихся ионов радионуклидов в 1 куб. см. воздуха при нормальных условиях. В системе СИ она измеряется в кулонах (Кл), но существует и внесистемная единица - рентген (Р). Один рентген - большая величина, поэтому удобнее на практике использовать ее миллионную (мкР) или тысячную (мР) доли. Между единицами экспозиционной дозы установлено следующее соотношения: 1 Р = 2, 58.10-4 Кл/кг.
2. Поглощенная доза - энергия альфа-, бета- и гамма-излучения, поглощенная и накопленная единицей массы вещества. В международной системе СИ для нее введена следующая единица измерения - грей (Гр), хотя до сих пор в отдельных областях, например в радиационной гигиене и в радиобиологии широко используется внесистемная единица - рад (Р). Между этими величинами имеется такое соответствие: 1 Рад = 10-2 Гр.
3. Эквивалентная доза - поглощенная доза ионизирующего излучения, учитывающая степень его воздействия на живую ткань. Поскольку одинаковые дозы альфа-, бета- или гамма-излучения оказывают разный биологический ущерб, введен так называемый КК -коэффициент качества. Для получения эквивалентной дозы необходимо поглощенную дозу, полученную от определенного вида излучения, умножить на этот коэффициент. Измеряется эквивалентная доза в берах (Бэр) и зивертах (Зв), обе эти единицы взаимозаменяемы, переводятся из одной в другую таким образом: 1 Зв = 100 Бэр (Рем).

В системе СИ используется зиверт - эквивалентная доза конкретного ионизирующего излучения, поглощенная одним килограммом биологической ткани. Для пересчета греев в зиверты следует учесть коэффициент относительной биологической активности (ОБЭ), который равен:

• для альфа-частиц - 10-20;
• для гамма- и бета-излучения - 1;
• для протонов - 5-10;
• для нейтронов со скоростью до 10 кэВ - 3-5;
• для нейтронов со скоростью больше 10 кэВ: 10-20;
• для тяжелых ядер - 20.

Бэр (биологический эквивалент рентгена) или рем (в английском языке rem - Roentgen Equivalent of Man) - внесистемная единица эквивалентной дозы. Поскольку альфа-излучение наносит больший ущерб, то для получения результата в ремах, необходимо измеренную радиоактивность в радах умножить на коэффициент, равный двадцати. При определении гамма- или бета-излучения перевод величин не требуется, поскольку ремы и рады равны друг другу.

Радиация окружает нас всегда, существует естественный и искусственный радиационный фон. Единиц измерения радиации несколько. Наиболее часто используются - зиверты [Зв], именно в них указывается доза радиации в бытовых дозиметрах.

Радиоактивностью называют способность некоторых веществ к самопроизвольному распаду их ядра с выделением при этом процессе энергии, которая, в свою очередь, и называется радиацией. Она способна воздействовать на различные вещества, изменяя их заряд, превращая их в ионы. Чтобы разобраться, в каких единицах измеряется радиация, нужно определиться, с какой стороны будет рассматриваться это физическое явление.

Радиация может быть нескольких различных видов, каждый из которых характеризуется собственными поражающими факторами. Радиационный фон, который присутствует на Земле, подразделяется на естественный (имеющий природное происхождение) и искусственный (имеющий техногенное происхождение). Так, любой человек постоянно находится в поле того или иного источника радиации.

Реакция ядерного распада широко применяется для получения энергии. На её основе построены все АЭС. Ядерное топливо обладает поразительной эффективностью и энергоёмкостью. Так, чтобы нагреть 100 тонн воды, потребуется радиоактивный изотоп массой всего лишь 1 г.

Радиационные волны подразделяются на:

• бета-волны;
• гамма-волны;
• нейтронное излучение.

Альфа-излучение возникает при ядерном распаде тяжёлых химических элементов, среди которых уран, радий, торий и прочие. Их зона поражения ограничена небольшим расстоянием, считаемым от места возникновения: в воздухе - примерно 8−10 см, в биологических средах - всего лишь 0,01−0,05 мм.

Альфа-волны не могут проникнуть даже сквозь лист обыкновенной бумаги и клетки ороговевшего эпителия. Однако если частицы всё же попадут в человеческих организм, например, посредством участков кожи с нарушенной целостностью покровов или через ротовую полость, то, проникнув в кровяное русло, они разнесутся по всему организму и осядут преимущественно в эндокринных железах и лимфатических узлах, что приведёт к внутреннему отравлению, тяжесть которого будет зависеть от полученной дозы.

Бета-излучение представляет собой поток электронов при ядерном распаде радиоактивных элементов. Бета-частицы способны проникать в человеческих организм на расстояние до 20 см. Бета-излучение нашло широкое применение в лучевой терапии при лечении онкологических заболеваний.

Нейтронное излучение - поток электрически нейтральных частиц. Для него характерны наибольшая сила и глубина проникновения. Данные волны применяются в качестве ускорителя других частиц в научных целях на промышленных предприятиях, а также в различных лабораторных исследованиях.

Также обладает достаточно высокой проникающей способностью. Оно не несёт в себе заряженных частиц и, следовательно, не попадает под действие магнитных и электрических полей. Применяется в следующих областях:

1. Медицина: лучевая терапия.
2. Пищевая промышленность: консервирование.
3. Отрасль космической промышленности.
4. Геофизические исследования.

Гамма-частицы способны вызывать острую лучевую болезнь (ОЛБ) при единичных больших дозах облучения, и хроническую - при длительном воздействии ионизирующего фактора.

Измерение радиационного излучения

При слове «радиация» у многих людей в мозге возникает картины страшной аварии на Чернобыльской АЭС. Однако люди каждый день подвергаются воздействию тех или иных ионизирующих факторов. Для измерения этого ионизирующего излучения существует ряд приборов. Соответственно, существуют и единицы измерения, и допустимые нормы радиационного фона.

К основным источникам радиации относятся:

• природные радиоактивные вещества, окружающие человека (70%);
• медицинские аппараты: рентген, томограф и прочие (10%);
• космическая (именно от неё человечество защищает озоновый слой) (15%);
• бытовые электроприборы (5%).

Проверку на величину радиационного фона и силу излучения проводят с помощью специальных , которые позволят с точностью определить, насколько интенсивно излучение в исследуемом участке. Чаще всего замеры проводят в следующих местах и случаях:

• при наличии рядом явного источника радиационного заражения (вблизи атомных электростанций);
• во время путешествий и походов по неизвестной территории, где рядом может находиться радиоактивный источник;
• перед строительством жилого дома или при приобретении квартиры.

Необходимо помнить, что очистить заражённый участок практически невозможно (период полураспада многих радиоактивных элементов составляет миллионы и миллиарды лет). Соответственно, всё, что можно сделать, измерив радиационный фон и обнаружив, что он превышает предельно допустимый, как можно скорее покинуть заражённое место.

Единицы измерения радиации

Контроль ионизирующего излучения предполагает проведение замеров с последующим соотнесением результатов с определёнными нормами, прописанными в нормативно-правовых документах. Эти же документы регулируют, например, то, что поставщики определённой продукции должны предоставлять данные о её соответствии определёнными нормам, касательно ионизирующего излучения.

Любое место имеет радиационный фон. Однако в большинстве мест уровень радиации считается безопасным. Самый популярный её показатель - доза, единица энергии, которую способно поглотить вещество при прохождении через него радиоактивного излучения. Основные виды доз и их предельно допустимые значения:

Таким образом, на вопрос, в чём измеряется излучение, нельзя ответить однозначно, так как данный физический процесс имеет множество аспектов, каждый из которых можно рассматривать по отдельности.

Есть строго определённые уровни безопасных величин радиационного фона для человека. Для каждой территории свойственен свой уровень радиационного фона. Безопасным и приемлемым показателем для человека является излучение, величиной 20 микрорентген в час, что соответствует 0,2 микрозивертам в час. Предельно допустимая доза, то есть, такая, что неспособна нанести вред человеческому организму, - 50 микрорентген в час или 0,5 микрозиверта в час. Любой фон, выше данных значений, является небезопасным, и долго пребывать в подобных участках крайне не рекомендуется.

Считается, что доза облучения, которую человек может вынести без особого вреда здоровью, - 10 микрозивертов. Если ионизирующее воздействие было очень кратковременным, то речь идёт о величине нескольких миллизивертов. Таким воздействием, например, обладает рентген-аппарат.

Важно! Человеческий организм способен накапливать облучение на протяжении всей жизни. Следует помнить, что порог подобного накопления - 700 миллизивертов. Его ни в коем случае нельзя пересекать!

Табличная инфографика, иллюстрирующая количество радиоактивного облучения, с которым человек сталкивается в повседневной жизни и которое может нанести вред здоровью. В таблице единицами измерения радиации являются миллизиверты [мЗв].

Последствия облучения радиоактивными волнами

Поражение людей ионизирующим излучением может проявиться в виде лучевой болезни разной степени тяжести. Лучевая болезнь проявляется при дозе облучения, равной 1 зиверту. Увеличение дозы двукратно значительно увеличивает риск развития онкологического заболевания, а при трёхкратном увеличении велик риск смертельного облучения.

Первые симптомы лучевой болезни:

• диарея;
• синдром хронической усталости;
• тошнота, рвота;
• надсадный кашель;
• нарушения со стороны сердечно-сосудистой системы.

Воздействие радиоактивных частиц может вызвать лучевые ожоги. При крупных дозах излучения происходит поражение эпителиоцитов, разрушение костной и мышечной тканей. Помимо ожогов, могут появляться метаболические нарушения, сопутствующие инфекции, лучевая катаракта и бесплодие.

Возможен также стохастический эффект, проявляющийся в появлении раковых опухолей. Чаще всего онкология возникает в молочной железе, щитовидной железе и нижних отделах кишечника.

Приборы для измерения радиации

В бытовых условиях для определения уровня радиации используются карманные дозиметры, которые можно использовать как в бытовых условиях, так и на заражённой территории. С помощью них также можно проводить проверку пищевых продуктов и прочих вещей на предмет заражения радиоактивными частицами. Подобные приборы широко используются туристами и специалистами-экологами.

Также для подсчёта ионизирующих частиц используют счётчик Гейгера, прибор, имеющий характерный стрекочущий звук. Он тоже является тем устройством, чем измеряют радиацию.

1. Дозиметрия. Дозы облучения. Мощность дозы.

2. Биологические эффекты доз облучения. Предельные дозы.

3. Дозиметрические приборы. Детекторы ионизирующего излучения.

4. Способы защиты от ионизирующего излучения.

5. Основные понятия и формулы.

6. Задачи.

34.1. Дозиметрия. Дозы облучения. Мощность дозы

Необходимость количественной оценки действия ионизирующего излучения на различные вещества живой и неживой природы привела к появлению дозиметрии.

Дозиметрия - раздел ядерной физики и измерительной техники, в котором изучают величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения.

Процессы взаимодействия излучения с тканями протекают поразному для различных типов излучений и зависят от вида ткани. Но во всех случаях происходит преобразование энергии излучения в другие виды энергии. В результате часть энергии излучения поглощается веществом. Поглощенная энергия - первопричина всех последующих процессов, которые в конечном итоге приводят к биологическим изменениям в живом организме. Количественно действие ионизирующего излучения (независимо от его природы) оценивается по энергии, переданной веществу. Для этого используется специальная величина - доза излучения (доза - порция).

Поглощенная доза

Поглощенная доза (D) - величина, равная отношению энергии Δ Ε, переданной элементу облучаемого вещества, к массе Δm этого элемента:

В СИ единицей поглощенной дозы является грей (Гр), в честь английского физика-радиобиолога Луи Гарольда Грея.

1 Гр - это поглощенная доза ионизирующего излучения любого вида, при которой в 1 кг массы вещества поглощается энергия 1 Дж энергии излучения.

В практической дозиметрии обычно пользуются внесистемной единицей поглощенной дозы - рад (1 рад = 10 -2 Гр).

Эквивалентная доза

Величина поглощенной дозы учитывает только энергию, переданную облучаемому объекту, но не учитывает «качество излучения». Понятие качества излучения характеризует способность данного вида излучения производить различные радиационные эффекты. Для оценки качества излучения вводят параметр - коэффициент качества (quality factor). Он является регламентированной величиной, его значения определены специальными комиссиями и включены в международные нормы, предназначенные для контроля над радиационной опасностью.

Коэффициент качества (К) показывает, во сколько раз биологическое действие данного вида излучения больше, чем действие фотонного излучения, при одинаковой поглощенной дозе.

Коэффициент качества - безразмерная величина. Его значения для некоторых видов излучения приведены в табл. 34.1.

Таблица 34.1. Значения коэффициента качества

Эквивалентная доза (Н) равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент качества для данного вида излучения:

В СИ единица эквивалентной дозы называется зивертом (Зв) - в честь шведского специалиста в области дозиметрии и радиационной безопасности Рольфа Максимилиана Зиверта. Наряду с зивертом используется и внесистемная единица эквивалентной дозы - бэр (биологический эквивалент рентгена): 1 бэр = 10 -2 Зв.

Если организм подвергается действию нескольких видов излучения, то их эквивалентные дозы (Н i) суммируются:

Эффективная доза

При общем однократном облучении организма разные органы и ткани обладают различной чувствительностью к действию радиации. Так, при одинаковой эквивалентной дозе риск генетических повреждений наиболее вероятен при облучении репродуктивных органов. Риск возникновения рака легких при воздействии α-излучения радона в равных условиях облучения выше, чем риск возникновения рака кожи и т.д. Поэтому понятно, что дозы облучения отдельных элементов живых систем следует рассчитывать с учетом их радиочувствительности. Для этого используются весовые коэффициенты b T (Т - индекс органа или ткани), приведенные в табл. 34.2.

Таблица 34.2. Значения весовых коэффициентов органов и тканей при расчете эффективной дозы

Окончание табл. 34.2

Эффективная доза (Н эф) - это величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека с учетом радиочувствительности отдельных его органов и тканей.

Эффективная доза равна сумме произведений эквивалентных доз в органах и тканях на соответствующие им весовые коэффициенты:

Суммирование ведется по всем тканям, перечисленным в табл. 34.2. Эффективные дозы, как и эквивалентные, измеряются в бэрах и зивертах.

Экспозиционная доза

Поглощенная и связанная с ней эквивалентная дозы облучения характеризуют энергетическое действие радиоактивного излучения. В качестве характеристики ионизирующего действия излучения используют другую величину, называемую экспозиционной дозой. Экспозиционная доза является мерой ионизации воздуха рентгеновскими и γ-лучами.

Экспозиционная доза (Х) равна заряду всех положительных ионов, образующихся под действием излучения в единице массы воздуха при нормальных условиях.

В СИ единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). Кулон - это очень большой заряд. Поэтому на практике пользуются внесистемной единицей экспозиционной дозы, которая называется рентгеном (Р), 1 Р = 2,58х10 -4 Кл/кг. При экспозиционной дозе 1 Р в результате ионизации в 1 см 3 сухого воздуха при нормальных условиях образуется 2,08х10 9 пар ионов.

Связь между поглощенной и экспозиционной дозами выражается соотношением

где f - некоторый переводной коэффициент, зависящий от облучаемого вещества и длины волны излучения. Кроме того, величина f зависит от используемых единиц доз. Значения f для единиц рад и рентген приведены в табл. 34.3.

Таблица 34.3. Значения переводного коэффициента из рентген в рад

В мягких тканях f ≈ 1, поэтому поглощенная доза излучения в радах численно равна соответствующей экспозиционной дозе в рентгенах. Это обусловливает удобство использования внесистемных единиц рад и Р.

Соотношения между различными дозами выражаются следующими формулами:

Мощность дозы

Мощность дозы (N) - величина, определяющая дозу, полученную объектом за единицу времени.

При равномерном действии излучения мощность дозы равна отношению дозы ко времени t, в течение которого действовало ионизирующее излучение:

где κ γ - гамма-постоянная, характерная для данного радиоактивного препарата.

В табл. 34.4 приведены соотношения между единицами доз.

Таблица 34.4. Соотношения между единицами доз

34.2. Биологические эффекты доз облучения. Предельные дозы

Биологическое действие излучения с различной эквивалентной дозой указано в табл. 34.5.

Таблица 34.5. Биологическое действие разовых эффективных доз

Предельные дозы

Нормы радиационной безопасности устанавливают предельные дозы (ПД) облучения, соблюдение которых обеспечивает отсутствие клинически выявляемых биологических эффектов облучения.

Предельная доза - величина годовой эффективной дозы техногенного облучения, которая не должна превышаться в условиях нормальной работы.

Величины предельных доз различны для персонала и населения. Персонал - это лица, работающие с техногенными источниками излучения (группа А) и находящиеся по условиям работы в сфере их воздействия (группа Б). Для группы Б все пределы доз установлены вчетверо меньшими, чем для группы А.

Для населения пределы доз меньше в 10-20 раз, чем для группы А. Значения ПД приведены в табл. 34.6.

Таблица 34.6. Основные предельные дозы

Естественный (природный) радиационный фон создается естественными радиоактивными источниками: космическими лучами (0,25 мЗв/год); радиоактивностью недр (0,52 мЗв/год); радиоактивностью пищи (0,2 мЗв/год).

Эффективная доза до 2 мЗв/год (10-20 мкР/ч), получаемая за счет естественного радиационного фона, считается нормальной. Как и при техногенном облучении, высоким считается уровень облучения более 5 мЗв/год.

На земном шаре есть места, где природный фон равен 13 мЗв/год.

34.3. Дозиметрические приборы. Детекторы ионизирующего излучения

Дозиметры - устройства для измерения доз ионизирующего излучения или величин, связанных с дозами. Дозиметр содержит в себе детектор излучения и измерительное устройство, которое градуировано в единицах дозы или мощности.

Детекторы - устройства, регистрирующие различные виды ионизирующего излучения. Работа детекторов основана на использовании тех процессов, которые вызывают в них регистрируемые частицы. Различают 3 группы детекторов:

1) интегральные детекторы,

2) счетчики,

3) трековые детекторы.

Интегральные детекторы

Эти устройства дают информацию о полном потоке ионизирующего излучения.

1. Фотодозиметр. Простейшим интегральным детектором является светонепроницаемая кассета с рентгеновской пленкой. Фотодозиметр - это индивидуальный интегральный счетчик, которым снабжаются лица, соприкасающиеся с излучением. Пленка проявляется через определенный промежуток времени. По степени ее почернения можно определить дозу облучения. Детекторы этого типа позволяют измерять дозы от 0,1 до 15 Р.

2. Ионизационная камера. Это прибор для регистрации ионизирующих частиц методом измерения величины ионизации (числа пар ионов), производимой этими частицами в газе. Простейшая ионизационная камера представляет собой два электрода, помещенных в заполненный газом объем (рис. 34.1).

К электродам приложено постоянное напряжение. Частицы, попадающие в пространство между электродами, ионизуют газ, и в цепи возникает ток. Сила тока пропорциональна числу образованных ионов, т.е. мощности экспозиционной дозы. Электронное интегрирующее устройство определяет и саму дозу Х.

Рис. 34.1. Ионизационная камера

Счетчики

Эти устройства предназначены для подсчета количества частиц ионизирующего излучения, проходящих через рабочий объем или попадающих на рабочую поверхность.

1. На рисунке 34.2 представлена схема газоразрядного счетчика Гейгера-Мюллера, принцип действия которого основан на образовании электрического импульсного разряда в газонаполненной камере при попадании отдельной ионизирующей частицы.

Рис. 34.2. Схема счетчика Гейгера-Мюллера

Счетчик представляет собой стеклянную трубку с напыленным на ее боковую поверхность слоем металла (катод). Внутри трубки пропущена тонкая проволока (анод). Давление газа внутри трубки составляет 100-200 мм рт.ст. Между катодом и анодом создается высокое напряжение порядка сотен вольт. При попадании в счетчик ионизирующей частицы в газе образуются свободные электроны, которые движутся к аноду. Вблизи тонкой нити анода напряженность поля велика. Электроны вблизи нити ускоряются настолько, что начинают ионизировать газ. В результате возникает разряд и по цепи протекает ток. Самостоятельный разряд надо погасить, иначе счетчик не среагирует на следующую частицу. На включенном в цепь высокоомном сопротивлении R происходит значительное падение напряжения. Напряжение на счетчике уменьшается, и разряд прекращается. Также в состав газа вводится вещество, соответствующее быстрейшему гашению разряда.

2. Усовершенствованным вариантом счетчика Гейгера-Мюллера является пропорциональный счетчик, в котором амплитуда импульса тока пропорциональна энергии, выделенной в его объеме регистрируемой частицей. Такой счетчик определяет поглощенную дозу излучения.

3. На другом физическом принципе основано действие сцинтилляционных счетчиков. Под действием ионизирующего излучения в некоторых веществах происходят сцинтилляции, т.е. вспышки, число которых подсчитывается с помощью фотоэлектронного умножителя.

Трековые детекторы

Детекторы этого типа используются в научных исследованиях. В трековых детекторах прохождение заряженной частицы фиксируется в виде пространственной картины следа (трека) этой частицы; картина может быть сфотографирована или зарегистрирована электронными устройствами.

Распространенным типом трекового детектора является камера Вильсона. Наблюдаемая частица проходит через объем, заполненный перенасыщенным паром, и ионизирует его молекулы. На образовавшихся ионах начинается конденсация пара, в результате чего след частицы становится виден. Камеру помещают в магнитное поле, которое искривляет траектории заряженных частиц. По кривизне трека можно определить массу частицы.

34.4. Способы защиты от ионизирующего излучения

Защита от негативных последствий излучения и некоторые способы уменьшения дозы облучения указаны ниже. Различают три вида защиты: защита временем, расстоянием и материалом.

Защита временем и расстоянием

Для точечного источника экспозиционная доза определяется соотношением

из которого видно, что она прямо пропорциональна времени и обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника.

Отсюда следует естественный вывод: для уменьшения поражающего радиационного действия необходимо находиться как можно дальше от источника излучения и, по возможности, меньшее время.

Защита материалом

Если расстояние до источника радиации и время облучения невозможно выдержать в безопасных пределах, то необходимо обеспечить защиту организма материалом. Этот способ защиты основывается на том, что разные вещества по-разному поглощают попадающие на них всевозможные ионизирующие излучения. В зависимости от вида излучения применяют защитные экраны из различных материалов:

альфа-частицы - бумага, слой воздуха толщиной несколько сантиметров;

бета-частицы - стекло толщиной несколько сантиметров, пластины из алюминия;

рентгеновское и гамма-излучения - бетон толщиной 1,5-2 м, свинец (эти излучения ослабляются в веществе по экспоненциальному закону; нужна большая толщина экранирующего слоя; в рентгеновских кабинетах часто используют резиновый просвинцованный фартук);

поток нейтронов - замедляется в водородсодеожащих веществах, например воде.

Для индивидуальной защиты органов дыхания от радиоактивной пыли используются респираторы.

В экстренных ситуациях, связанных с ядерными катастрофами, можно воспользоваться защитными свойствами жилых домов. Так, в подвалах деревянных домов доза внешнего облучения снижается в 2-7 раз, а в подвалах каменных домов - в 40-100 раз (рис. 34.3).

При радиоактивном заражении местности контролируется активность одного квадратного километра, а при заражении продуктов питания - их удельная активность. В качестве примера можно указать, что при заражении местности более чем 40 Ки/км 2 производят полное отселение жителей. Молоко с удельной активностью 2х10 11 Ки/л и более не подлежит употреблению.

Рис. 34.3. Экранирующие свойства каменного и деревянного домов для внешнего γ-излучения

34.5. Основные понятия и формулы

Продолжение таблицы

Окончание таблицы

34.6. Задачи

1. Изучение лучевых катаракт на кроликах показало, что под действием γ -излучения катаракты развиваются при дозе D 1 = 200 рад. Под действием быстрых нейтронов (залы ускорителей) катаракта возникает при дозе D 2 = 20 рад. Определить коэффициент качества для быстрых нейтронов.

2. На сколько градусов увеличится температура фантома (модели человеческого тела) массой 70 кг при дозе γ-излучения Х = 600 Р? Удельная теплоемкость фантома с = 4,2х10 3 Дж/кг. Считать, что вся полученная энергия идет на нагревание.

3. Человек весом 60 кг в течение 6 ч подвергался действию γ- излучения, мощность которого составляла 30 мкР/час. Считая, что основным поглощающим элементом являются мягкие ткани, найти экспозиционную, поглощенную и эквивалентную дозы облучения. Найти поглощенную энергию излучения в единицах СИ.

4. Известно, что разовая летальная экспозиционная доза для человека равна 400 Р (50 % смертности). Выразить эту дозу во всех других единицах.

5. В ткани массой m = 10 г поглощается 10 9 α-частиц с энергией Е = 5 МэВ. Найти эквивалентную дозу. Коэффициент качества для α-частиц K = 20.

6. Мощность экспозиционной дозы γ -излучения на расстоянии r = 0,1 м от точечного источника составляет N r = 3 Р/час. Определить минимальное расстояние от источника, на котором можно ежедневно работать по 6 ч без защиты. ПД = 20 мЗв/год. Поглощение γ -излучения воздухом не учитывать.

Решение (требуется аккуратное выравнивание единиц измерения) По нормам радиационной безопасности эквивалентная доза, полученная за год работы, составляет Н = 20 мЗв. Коэффициент качества для γ -излучения К = 1.

Приложения

Фундаментальные физические константы

Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их обозначения

ДОЗЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ - физические величины, принятые в дозиметрии ионизирующих излучений для количественной характеристики поля излучения и воздействия излучения на облучаемый объект.

Основной величиной, применимой к любому виду ионизирующего излучения (альфа- и бета-частицы, гамма-излучение, протоны, нейтроны, мезоны и т. д.), является поглощенная доза излучения (D) - отношение энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме (D - dE/dm). Специальная единица поглощенной дозы - рад (pad). 1 рад соответствует поглощению энергии излучения 100 эрг в 1 г вещества (1 рад = 100 эрг/г). В Международной системе единиц (СИ) единицей поглощенной дозы излучения является грей (Гй), который определяется как 1 Дж/кг. Единицы рад и грей связаны следующим соотношением: 1 рад = 10 -2 Гй.

Производные единицы поглощенной дозы - килорад (крад), милли-рад (мрад), микрорад (мкрад) и т. д.

Увеличение поглощенной дозы излучения, отнесенное к единице времени, называется мощностью поглощенной дозы (P). P = dD/dt, где dD - приращение поглощенной дозы за интервал времени dt. Единицей мощности поглощенной дозы является любое частное от деления рада (грея) или его производной единицы на единицу времени (рад/час, рад/мин, рад/сек, мрад/час, мкрад/сек, Гй/с и т. д.).

Физ. мерой воздействия излучения на все облучаемое тело или на определенную его часть является интегральная поглощенная доза Dинт. Она равна поглощенной энергии излучения в массе тела (или его части). Интегральная доза излучения измеряется в единицах г-рад, кг-рад и т. п.

Поскольку поглощенная доза излучения неоднозначно определяет воздействие фотонов и частиц различных видов и энергии на живой организм, для сопоставлений при хрон, облучении введена величина эквивалентная доза излучения (D экв), единицей измерения к-рой является бэр (бэр). За 1 бэр принимается такая поглощенная доза любого вида ионизирующего излучения, к-рая при хрон, облучении вызывает такой же биол, эффект, что и 1 рад рентгеновского или гамма-излучения (см. Относительная биологическая эффективность излучений , Фактор качества).

Наряду с поглощенной дозой излучения, являющейся универсальной величиной, широко пользуются экспозиционной дозой (D 0) излучения, применимой только для воздуха и для фотонного (рентгеновского и гамма-) излучения с энергией до 3 МэВ.

Экспозиционная доза основана на ионизирующем действии излучения.

Для фотонного излучения не всегда наблюдается однозначная связь между поглощенной (т. е. переданной электронам в результате элементарных актов взаимодействия) энергией фотонов в данном объеме и ионизацией, произведенной этими вторичными электронами, т. к. часть вторичных электронов, пробеги которых больше линейных размеров этого объема или которые образованы у его границ, произведет ионизацию вне этого объема. Кроме того, в объеме могут произвести ионизацию вторичные электроны, образованные фотонами, поглощенными вне этого объема.

Исходя из особенностей взаимодействия фотонного излучения с веществом, экспозиционную дозу определяют как отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе, когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном объеме воздуха с массой dm, полностью остановились в воздухе, к массе воздуха dm в указанном объеме: D0 - dQ/ dm.

Специальная единица экспозиционной дозы излучения - рентген (см. Радиологические величины, единицы). В Международной системе единиц (СИ) единицей экспозиционной дозы излучения является кулон на килограмм (Кл/кг). Единица рентген связана с ней следующим соотношением: 1 P = = 2,58*10 -4 Кл/кг. Производные единицы экспозиционной дозы излучения - миллирентген (мР) и микрорентген (мкР). Экспозиционная доза излучения, отнесенная к единице времени, называется мощностью экспозиционной дозы. Она измеряется в Р/час, мР/мин, мкР/час, мкР/сек и т.д.

При экспозиционной дозе в 1 P электроны и позитроны, образованные фотонами в 1 см 3 воздуха (при 0° и 760 мм рт. ст.), создадут в воздухе 2,08*10 9 пар ионов. Если учесть, что средняя энергия, затрачиваемая на образование одной пары ионов в воздухе, равна 34 эВ, то при экспозиционной дозе 1 P энергия фотонов, переданная электронам и позитронам в 1 см 3 , равна 0,114 эрг/см 3 , а поглощенная доза - 88 эрг/г, или 0,88*10 -2 Гй.

Однозначная связь между экспозиционной и поглощенной дозами может быть установлена, когда поглощенная доза измеряется в воздушном объеме, окруженном слоем воздуха или воздухоэквивалентного вещества, толщина к-рого больше или равна пробегу вторичных электронов, т. е. когда соблюдается условие электронного равновесия.

В этом случае при экспозиционной дозе 1 P поглощенная доза в воздухе равна 88 эрг/г. Это энергетический эквивалент рентгена.

Между экспозиционной дозой D0 и измеренной в условиях электронного равновесия поглощенной дозой D в какой-либо другой среде существует следующее соотношение D = kD0, где k имеет размерность рад/Р.

Поглощенная доза в воде и мышечной ткани отличается на 4-10% от поглощенной дозы в воздухе вследствие того, что эффективный атомный номер Z эфф воды и мышечной ткани близок, но не равен Z эфф воздуха. Вследствие этого в интервале энергии фотонного излучения 150 кэВ -3 МэВ k = 0,93 рад/P для воды и мышечной ткани и 0,97 рад/Р для жировой клетчатки, т. е. при экспозиционной дозе в 1 Р, поглощенная доза в воде и мышечной ткани в условиях электронного равновесия будет равна 93 рад. Для костной ткани, Z Эфф к-рой больше, чем у воздуха, а следовательно, и более существенно фотоэлектрическое поглощение в области малых энергий, значение k будет изменяться от 4,74 до 0,88 рад/P с увеличением энергии от 10 до 200 кэВ; начиная с 200 кэВ значение k остается примерно постоянным и равным 0,88 рад/Р.

При гамма-терапии, а также при ряде биол, экспериментов важно знать распределение дозного поля (см.) в облучаемом объекте, на основании чего можно судить о поглощенной дозе излучения в различных точках. Определение дозы в какой-либо точке внутри облучаемого объекта можно производить при наличии внутри него воздушной полости, что позволяет измерить в ней ионизацию. Такие измерения проводят обычно на моделях (фантомах). Фантомы изготовляются из тканеэквивалентных веществ, т. е. из веществ, у которых ослабление и рассеяние излучения происходят так же, как и в мышечной ткани (см. Фантомы дозиметрические). Такими веществами являются вода, парафин, картон, плексиглас. Помещая ионизационную камеру с тканеэквивалентными стенками в различных точках фантома, определяют распределение дозного поля, по к-рому можно судить о распределении поглощенной дозы.

Доза, создаваемая в глубине облучаемого объекта, называется глубинной дозой (D гл). Она складывается из дозы, создаваемой прямым излучением источника и рассеянным излучением. Доза, создаваемая рассеянным излучением, зависит от энергии излучения, геометрии облучения и размера объекта.

Поверхностная доза (Dп) - доза, создаваемая на поверхности облучаемого объекта. Она больше, чем доза, измеренная в воздухе в той же точке в отсутствие объекта, что обусловлено обратным рассеянием. Напр., для излучения с энергией 200 кэВ обратное рассеяние может достигать 20-25% от дозы первичного излучения в этой же точке, для гамма-излучения 60 Со оно равно 1 - 3% в зависимости от размеров поля облучения.

Отношение глубинной дозы к дозе в воздухе в месте расположения поверхности облученного объекта D" называется относительной глубинной дозой (Dгл/D"). Эта величина, выраженная в процентах, называется процентной глубинной дозой (Dгл/D"×100). Иногда относительной глубинной дозой называют отношение глубинной дозы к поверхностной (Dгл/Dп).

Дозы ионизирующих излучений в медицине и биологии. В естественных условиях организм животных и человека подвергается постоянному воздействию космических лучей и излучения естественных радиоактивных элементов, присутствующих в воздухе, почве и в тканях самого организма. Уровни природного излучения от всех источников в среднем соответствуют 100 мбэр в год, но в отдельных районах - до 1000 мбэр в год.

В современных условиях в процессе жизнедеятельности человек сталкивается с превышениями этого среднего уровня радиации. Для лиц, работающих в сфере действия ионизирующего излучения, установлены значения предельно допустимой дозы (ПДД) на все тело (см. Предельно допустимые дозы, излучения), которые при длительном воздействии не вызывают у человека нарушения общего состояния, а также изменения функций кроветворения и воспроизводства. Для ионизирующего излучения установлена ПДД 5 бэр в год. Расчет дозовых нагрузок производится с учетом коэффициента качества разных видов ионизирующего излучения.

Для оценки отдаленных проявлений действия излучения в потомстве учитывают возможность увеличения частоты мутаций. Доза излучения, вероятнее всего удваивающая частоту самопроизвольных мутаций у человека, не превышает 100 бэр на поколение; имеются, однако, указания и на еще меньшие значения этой дозы (3-12 бэр).

Генетически значимые дозы для населения находятся в пределах 7 - 55 мбэр/год.

Использование излучения в мед. практике приводит к увеличению дозовых нагрузок на население. Рентгенол. обследование сопровождается лучевым воздействием на те или иные поверхности тела в дозах 0,04 Р - 7,0 P при производстве снимков и до 50 P при просвечиваниях (табл. 1-4). Эти значения дозы имеют тенденцию к снижению.

Дозовые нагрузки при радиоизотопной диагностике в зависимости от используемого радиоактивного нуклида при однократном применении колеблются от 0,01 до 600 бэр/мкКи на все тело и от 0,003 до 6000 бэр/мКи на отдельные органы и ткани (см. Критический орган).

Медперсонал рентгеновских кабинетов, врачи-радиологи и медперсонал радиоманипуляционных кабинетов при выполнении различных работ подвергаются лучевому воздействию на отдельные области тела в дозах 0,03-0,18 бэр/сут (табл. 5).

При лучевой терапии злокачественных опухолей в зависимости от характера патол, процесса проводятся локальные облучения в дозах в среднем до 8000 бэр за 3-4 недели.

В радиобиологии различают следующие дозовые величины, характеризующие гибель животных в течение фиксированного времени (30- 60 дней): минимальная летальная доза (DLM), доза половинной (50%) выживаемости или смертности (DL50) в течение определенного срока, минимальная абсолютно летальная доза (МАЛД)- минимальная доза, вызывающая гибель всех животных.

Значения этих доз колеблются в зависимости от вида и линии животных. Так, напр., DL50 при однократном равномерном воздействии гамма-излучением лежат в пределах от 250 рад (2,5 Гй) для собак до 900 рад (9 Гй) для отдельных линий мышей. Для человека при тотальном облучении гамма-излучением МАЛД принимается равной 600 рад (6 Гй), a DL50 -400 рад (4 Гй).

Зависимость смертности от дозы выражается S-образной кривой (рис. 1). Зависимость средней продолжительности жизни от дозы (рис.2) проявляется в том, что по мере увеличения дозы происходит постепенное сокращение продолжительности жизни, пока она не достигает 3-3,5 сут. (ок. 1000 рад)- отрезок АБ. При дальнейшем возрастании дозы до 6000-10 000 рад (60- 100 Гй) средняя продолжительность жизни не изменяется - отрезок БВ. Увеличение дозы св. 10 000 рад (100 Гй) приводит к сокращению продолжительности жизни до одних суток, а затем и нескольких часов- отрезок ВГ. Начиная с дозы 20 000 рад отмечаются случаи «смерти под лучом». В зависимости от этих данных определяются формы лучевой болезни (см.): острая, острейшая и молниеносная.

Таблица 1. Экспозиционная доза на поверхности тела и интегральная доза, получаемые обследуемым при рентгеноскопии без электронно-оптического преобразователя

Таблица 2. Экспозиционная и интегральная дозы излучения, получаемые обследуемым при рентгенографии (один снимок)

Таблица 3. Экспозиционная доза излучения на поверхности тела и в области гонад обследуемого при снимках

Таблица 4. Экспозиционная доза на поверхности тела и интегральная доза излучения, получаемые обследуемым при некоторых специальных рентгенодиагностических исследованиях

Таблица 5. Доза излучения, получаемая врачом-рентгенологом при рентгеноскопии без электронно-оптического преобразователя

Библиография: Зольникова Н.И., Меркулова Т. И. и Ищенко 3. Г. Лучевые нагрузки персонала при работе на различных гамма-терапевтических установках, Мед. радиол., т. 20, № 5, с. 46, 1975; Иванов В. И. Курс дозиметрии, М., 1970; Кацман А. Я. Лучевые нагрузки и противолучевая защита при рент-гено-диагностических процедурах, JI., 1966, библиогр.; Кронгауз А.Н., Ляпидевский В. К. и Фролова А. В. Физические основы клинической дозиметрии, М., 1969, библиогр.; Нормы радиационной безопасности (НРБ-76), М., 1977; Нормы радиационной безопасности для пациентов при использовании радиоактивных веществ с диагностической целью, Мед. радиол., т. 18, № 6, с. 87. 1973; Радиационная безопасность, Величины, единицы, методы и приборы, пер. с англ., под ред. И. Б. Кеирим-Маркуса, М., 1974, библиогр.

У. Я. Маргулис; Н. Г. Даренская (дозы ионизирующих излучений в медицине и биологии), А. Н. Кронгауз (табл.).

Человеческий организм поглощает энергию ионизирующих излучений, причем от количества поглощенной энергии зависит степень лучевых поражений. Для характеристики поглощенной энергии ионизирующего излучения единицей массы вещества используется понятие поглощенная доза.

Поглощенная доза – это количество энергии ионизирующего излучения, поглощенное облучаемым телом (тканями организма) и рассчитанной на единицу массы этого вещества. Единица поглощенной дозы в Международной системе единиц (СИ) – грей (Гр).

1 Гр = 1 Дж/кг

Для оценки еще используют и внесистемную единицу – Рад. Рад – образовано от английского «radiationabsorbeddoze» – поглощенная доза излучения. Это такое излучение, при котором каждый килограмм массы вещества (скажем, человеческого тела) поглощает 0.01 Дж энергии (или 1 г массы поглощает 100 эрг).

1 Рад = 0.01 Дж/кг 1 Гр = 100 Рад

Экспозиционная доза

Для оценки радиационной обстановки на местности, в рабочем или жилом помещениях, обусловленной воздействием рентгеновского или гамма-излучения, используют экспозиционную дозу облучения. В системе СИ единица экспозиционной дозы – кулон на килограмм (1 Кл/кг).

На практике чаще используют внесистемную единицу – рентген (Р). 1 рентген – доза рентгеновских (или гамма) лучей, при которой в 1 см 3 воздуха образуется 2.08 х 10 9 пар ионов (или в 1 г воздуха – 1.61 х 10 12 пар ионов).

1 Р = 2.58 х 10 -3 Кл/кг

Поглощенной дозе 1 Рад соответствует экспозиционная доза, примерно равная 1 рентгену: 1 Рад = 1 Р

Эквивалентная доза

При облучении живых организмов возникают различные биологические эффекты, разница между которыми при одной и той же поглощенной дозе объясняется разными видами облучения.

Для сравнения биологических эффектов, вызываемых любыми ионизирующими излучениями, с эффектами от рентгеновского и гамма-излучения, вводится понятие об эквивалентной дозе . В системе СИ единица эквивалентной дозы – зиверт (Зв). 1 Зв = 1 Дж/кг

Существует также внесистемная единица эквивалентной дозы ионизирующего излучения – бэр (биологический эквивалент рентгена). 1 бэр – доза любого излучения, которая производит такое же биологическое действие, как рентгеновское или гамма-излучение в 1 рентген.

1 бэр = 1 Р 1 Зв = 100 бэр

Коэффициент, показывающий, во сколько раз оцениваемый вид излучения биологически опаснее, чем рентгеновское или гамма-излучение при одинаковой поглощенной дозе, называется коэффициентом качества излучения (К).

Для рентгеновского и гамма-излучения К=1.

1 Рад х К = 1 бэр 1 Гр х К = 1 Зв

При прочих равных условиях доза ионизирующего излучения тем больше, чем больше время облучения, т.е. доза накапливается со временем. Доза, отнесенная к единице времени, называется мощностью дозы. Если мы говорим, что мощность экспозиционной дозы гамма-излучения составляет 1 Р/ч, то это значит, что за 1 час облучения человек получит дозу, равную 1 Р.

Активность радиоактивного источника (радионуклида) – это физическая величина, характеризующая число радиоактивных распадов в единицу времени. Чем больше радиоактивных превращений происходит в единицу времени, тем выше активность. В системе Си за единицу активности принят беккерель (Бк) - количество радиоактивного вещества, в котором происходит 1 распад за 1 секунду.

Другая единица радиоактивности – кюри. 1 кюри – активность такого количества радиоактивного вещества, в котором происходит 3.7 х 10 10 распадов в секунду.

Время, в течение которого число атомов данного радиоактивного вещества уменьшается вследствие распада вдвое называется периодом полураспада . Период полураспада может меняться в широких пределах: для урана-238 (U) – 4.47 млр. лет; урана-234 – 245 тыс. лет; радия-226 (Ra) – 1600 лет; йода-131 (J) – 8 суток; радона-222 (Rn) – 3.823 суток; полония-214 (Po) – 0.000164 сек.

Среди долгоживущих изотопов, выброшенных в атмосферу в результате взрыва АЭС в Чернобыле, есть стронций-90 и цезий-137, периоды полураспада которых около 30 лет, поэтому зона Чернобыльской АЭС еще многие десятилетия будет непригодна для нормальной жизни.

КОЭФФИЦИЕНТЫ РАДИАЦИОННОГО РИСКА

Следует учитывать, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей следует учитывать с разными коэффициентами. Принимая коэффициент радиационного риска всего организма в целом за единицу, для разных тканей и органов коэффициенты радиационного риска будут следующие:

0.03 – костная ткань; 0.03 – щитовидная железа;

0.12 – легкие; 0.12 – красный костный мозг;

0.15 – молочная железа; 0.25 – яичники или семенники;

0.30 – другие ткани.

ДОЗЫ ОБЛУЧЕНИЯ, ПОЛУЧАЕМЫЕ ЧЕЛОВЕКОМ

С ионизирующими излучениями население в любом регионе земного шара встречается ежедневно. Это, прежде всего, так называемый радиационный фон Земли, который складывается из:

космического излучения, приходящего на Землю из Космоса;

излучения от находящихся в почве, строительных материалах, воздухе и воде естественных радиоактивных элементов;

излучения от природных радиоактивных веществ, которые с пищей и водой попадают внутрь организма, фиксируются тканями и сохраняются в теле человека.

Кроме того, человек встречается с искусственными источниками излучения, включая радиоактивные нуклиды (радионуклиды), созданные руками человека и применяемые в народном хозяйстве.

В среднем доза облучения от всех естественных источников ионизирующего излучения составляет в год около 200 мР, хотя это значение может колебаться в разных регионах земного шара от 50 до 1000 мР/год и более (табл. 1). Доза, получаемая в результате космического излучения, зависит от высоты над уровнем моря; чем выше над уровнем моря, тем больше годовая доза.

Таблица 1

Природные источники ионизирующего излучения

Искусственные источники ионизирующего излучения (табл. 2):

медицинское диагностическое и лечебное оборудование;

люди, постоянно пользующиеся самолетом, дополнительно подвергаются незначительному облучению;

атомные и тепловые электростанции (доза зависит от близости их расположения);

фосфорные удобрения;

Строения из камня, кирпича, бетона, дерева – плохая вентиляция в помещениях может увеличить дозу облучения, обусловленную вдыханием радиоактивного газа радона, который образуется при естественном распаде радия, содержащегося во многих горных породах и стройматериалах, а также в почве. Радон – невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ (тяжелее воздуха в 7.5 раз) и др.

Каждый житель Земли на протяжении всей своей жизни ежегодно облучается дозой в среднем 250-400 мбэр.

Считается, что безопасно для человека набрать за всю свою жизнь дозу облучения, не превышающую 35 бэр. При дозах облучения в 10 бэр не наблюдается каких-либо изменений в органах и тканях организма человека. При однократном облучении дозой 25-75 бэр клинически определяются кратковременные незначительные изменения состава крови.

При облучении дозой более 100 бэр наблюдается развитие лучевой болезни:

100 – 200 бэр – Iстепень (легкая);

200 – 400 бэр – IIстепень (средняя);

400 – 600 бэр – IIIстепень (тяжелая);

более 600 бэр – IVстепень (крайне тяжелая).