Поглощенная доза излучения

Ни беккерель, ни кулоны на килограмм массы не могут рассматриваться в качестве подходящей единицы для измерения биологи­ческого воздействия ионизирующего излуче­ния, так как они не выражают действительно­го количества энергии, поглощенной живой тканью. Если при воздействии ионизирующего излучения на какой-то организм экспозицион­ная доза составила 1 Кл/кг, это не означает, что ткани данного организма поглотили боль­шое количество энергии.

Биологический эффект зависит от вида из­лучения и условий облучения. Так, в случае альфа-излучения, если радиоактивное вещест­во не попало внутрь организма, указанная экс­позиционная доза не окажет практически ни­какого биологического воздействия. Мерой воздействия ионизирующего излучения на ве­щество служит поглощенная доза — средняя энергия, переданная излучением единице мас­сы вещества. В старой системе единицей из­мерения поглощенной дозы служил рад (1 рад=0,01 Дж/кг). В СИ в качестве едини­цы поглощенной дозы принят грэй (Гр), при этом 1 Гр = 1 Дж/кг. Расчет поглощенной до­зы, однако, даже в том случае, если известны все данные о радиоактивном источнике, явля­ется непростой задачей.

Пример 14.4. В организм человека попало через ор­ганы пищеварения 10 мг ⁵⁵Fе. Найти значение погло­щенной дозы в организме этого человека за 10-летний период.

Железо-55 распадается по схеме: К-захват с после­дующим испусканием фотона рентгеновского излучения. Количество выделяющейся при этом энергии составляет 0,22 МэВ на акт распада. Период полураспада ⁵⁵Fе составляет 2,9 г. Отсюда т=0,239 и масса радиоактив­ного вещества через 10 лет составляет: 10 ехр(—0,239x10) =0,916 мг. Масса вещества, претерпевшего распад, равна 10,0—0,916=9,084 мг. Отсюда найдем число рас­павшихся атомов:

Далее найдем общее количество выделившейся при радиоактивном распаде энергии:

1,0849·10²⁰·0,22·10⁶ = 2,3867·10²⁶ эВ (1,49·10⁶ Дж).

Чтобы найти количество энергии на единицу массы, необходимо знать массу тела данного человека, а точ­нее, массу тех органов и тканей, которые подверглись воздействию излучения (маловероятно, что в данном случае облучение было равномерным по всему телу). Если принять среднее значение массы тела человека (мужчины) равным 75 кг и взять для расчета поглощен­ной дозы одну треть этой массы (25 кг), то искомое значение поглощенной дозы составит:

.

Это — очень большое значение поглощенной дозы, и оно указывает на то, какую опасность для здоровья че­ловека может представлять такое, казалось бы, незна­чительное количество радионуклида, попавшее внутрь организма.

Хотя значение поглощенной дозы может служить приемлемой мерой количества энер­гии, переданной излучением единице массы вещества, она не вполне удовлетворяет требо­ваниям задачи оценки биологических эффек­тов, вызываемых различными ионизирующими излучениями. Дело в том, что повреждение ткани связано не только с количеством погло­щенной энергии, но и с ее пространственным распределением, характеризуемым значением линейной передачи энергии L_Δ: чем выше L_Δ или, иначе, линейная плотность ионизации, тем больше степень биологического поврежде­ния, вызываемого ионизирующим излучением данного вида. Значение L_Δ для различных ви­дов первичного ионизирующего излучения за­висит от механизма процессов, протекающих с участием вторичных заряженных частиц и радикалов, образующихся в ткани в результа­те облучения. Подробнее это рассмотрено ни­же, там, где речь будет идти об эффектах ма­лых доз облучения.

Эквивалентнаядоза ионизирующего излучения

Чтобы учесть эффект, обусловленный раз­личием значений L_Δ для разных видов иони­зирующего излучения, вводится понятие экви­валентной дозы ионизирующего излучения, ко­торая определяется равенством

H=DQN, (14.11)

где D— поглощенная доза, Гр; Q — безраз­мерный коэффициент качества ионизирующе­го излучения, значения которого зависят от типа излучения (приведен ниже); /V — безраз­мерный коэффициент, зависящий от вида био­логической ткани (его значения для разных органов и тканей организма различны).

Единицей измерения эквивалентной дозы в системе СИ служит зиверт (Зв). До насто­ящего времени, однако, значения эквивалент­ной дозы чаще выражаются в старых едини­цах— бэрах. Значение эквивалентной дозы в бэрах получится, если выразить значение по­глощеной дозы в (14.11) в радах.

Может возникнуть вопрос: в чем состоит разница между грэем и зивертом? Обе едини­цы имеют одинаковую размерность - Дж/кг. В связи с этим необходимо подчеркнуть, что только поглощенная доза в грэях выражает истинное количество энергии, переданной из­лучением единице массы вещества (биологи­ческой ткани), в то же время соответствующее значение эквивалентной дозы в знвертах выра­жает эффективное воздействие поглощенной энергии ионизирующего излучения данного ви­да на определенную биологическую ткань, от­несенное к единице массы этой ткани. При этом численное значение эквивалентной дозы в зивертах может быть значительно больше соответствующего ему численного значения поглощенной дозы в грэях.

Коэффициент N можно рассматривать как взвешивающий коэффициент, учитывающий различия в чувствительности органов и тканей к воздействию излучения. Некоторые виды биологической ткани, например кость, доволь­но нечувствительны к воздействию ионизиру­ющих излучений, тогда как другие, например половые железы, отличаются повышенной чув­ствительностью. Ниже приведены значения биологического взвешивающего коэффициен­та для различных органов и тканей организма человека, рекомендованные Международной комиссией по радиационной защите:

Повреждающее воздействие на биологичес­кую ткань ионизирующего излучения с высо­кими значениями ЛПЭ значительно больше воздействия излучения с низким значением ЛПЭ при одинаковой поглощенной дозе, Так, альфа-частицы с энергией 5 МэВ имеют зна­чение Q~15. Поэтому попадание внутрь ор­ганизма через дыхательный или пищевари­тельный тракт тяжелых радиоактивных эле­ментов, например плутония, значительно более опасно для здоровья, чем внешнее воздейст­вие на организм любого вида радиоактивного излучения.

Хотя нейтроны сами по себе не ионизируют вещество, они вызывают образование вторич­ных заряженных частиц, которые производят ионизацию. Именно это обстоятельство следу­ет иметь в виду, когда речь идет о значении L_Δ для нейтронов. Для тепловых нейтронов (т. е. нейтронов с энергиями ниже примерно 0,1 эВ) Q=1, для быстрых нейтронов Q~10.

Суммарные сведения относительно единиц измерения излучений приводятся в табл. 14.4. Как уже указывалось выше, для измерения радиационных эффектов следует использовать единицу системы СИ зиверт. Это — новая еди­ница, и пока она используется не слишком ши­роко (в 1975 г. зиверт еще не попал в число единиц, рекомендованных 15-й Генеральной конференцией по вопросам мер и весов; пред­полагается, что такая рекомендация будет вы­дана в ближайшее время). Некоторые страны уже перешли на использование новых единиц, хотя при этом иногда возникают определен­ные проблемы. Так, в Великобритании в качестве единицы эквивалентной дозы принят сантизиверт (в точности соответствующий ста­рой единице — бэру). Это решение, однако, следует признать неудачным. Если, к приме­ру, потребуется выразить малые значения эк­вивалентной дозы (масштаба бэров), сделать это по правилам системы СИ окажется невоз­можным: применение такой единицы как миллисантизиверт здесь недопустимо.

Новое вообще внедряется с трудом, особен­но в областях человеческой деятельности с ус­тановившимся, привычным порядком. Особую заботу об использовании новой терминологии должны, по-видимому, проявлять авторы учеб­ных пособий, по которым обучаются новые по­коления специалистов.