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

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 (D_T) – средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела:

D_T = W_Т/m_T (17)

где W_Т – полная энергия, переданная ионизирующим излучением ткани или органу; m_T – масса органа или ткани; D_T – 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 = Р_ое ^{– 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 (Н_Т.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:

Н_T.R = D_T.R • W_R, (20)

где: D_T.R – поглощенная доза биологической тканью излучением R; W_R – 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:

Н_Т = Σ Н_Т.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

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 = SH_iW_Ti, (23)

где Н_i - эквивалентная доза в данном i-том органе, биологической ткани; W_Ti - 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 W_Ti приведены в таблице 5. Единицы измерения те же, что и эквивалентной дозы.

Таблица 5

^{Взвешивающие коэффициенты WT}*

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 W_T и затем их просуммировать.

Коллективная эквивалентная доза (S_т) 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.

С коротким эффективным периодом полувыведения

С длинным эффективным периодом полувыведения

Годы

50 л

Рис.12. Мощность эквивалентной дозы в органе (ткани) после поступления радионуклида с коротким и длинным периодом полувыведения