Соотношение между единицами СИ и внесистемными единицами в области радиационной безопасности

АКТИВНОСТЬ РАДИОНУКЛИДА

При работе с радиоактивными веществами наиболее существенным является не масса радионуклида, а его активность.

Активность радионуклида в источнике А — отношение числа спонтанных (самопроизвольных) ядерных превращений dN, происходящих в источнике за интервал времени dt, к этому интервалу:

А = dN/dt. (3.1)

В системе СИ единица измерения активности имеет специальное название беккерель (Бк) и имеет размерность обратной секунды (с^-1). Беккерель равен активности радионуклида в источнике, в котором за время 1 с происходит одно спонтанное ядерное превращение.

Внесистемной единицей активности является кюри (Ки). Кюри — активность радионуклида в источнике, при которой в 1 с происходит 3,7·10¹⁰ спонтанных ядерных превращений. Такое число ядерных превращений происходит в 1 секунду в 1 г ²²⁶Ra. Связь между внесистемной единицей активности кюри и беккерелем следующая:

1 Ки = 3,7·10¹⁰ Бк; 1 Бк = 2,7·10^-11 Ки. (3.2)

В главе 1 было показано (1.26) , что активность радионуклида связана с числом радиоактивных атомов в источнике. Приведем более практичное выражение этого соотношения, связывающего массу (т) радионуклида в граммах (г) (без учета массы неактивного носителя) с его активностью в беккерелях:

m=3,3·10^-3·Μ·Τ_1/2·A, (3.3)

где, M—массовое число радионуклида; Т_1/2 — период полураспада радионуклида в секундах.

В практике часто пользуются величинами отношений общей активности радионуклида к длине, площади, объему или массе источника. Они характеризуют концентрацию радионуклида. И называются соответственно линейной, поверхностной, объемной и удельной активностью радионуклида.

Выбор единиц этих величин определяется конкретной задачей. Так, допустимую концентрацию радионуклида в воде (объемную активность) удобнее выражать в беккерелях на литр (Бк/л), а в воздухе — в беккерелях на кубический метр (Бк/м³), т.к. потребление человеком воды обычно определяется в литрах, а воздуха — в кубических метрах. На практике во внесистемных единицах часто используются соответственно Ки/л и Ки/м³. Единица измерения удельной активности — Бк/кг. Часто также пользуются внесистемной единицей — Ки/кг.

Единицами поверхностной и линейной активности являются в СИ соответственно
Бк/м² и Бк/м.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

Энергетическое и пространственно-временное распределения ионизирующего излучения в среде изменяется в процессе его взаимодействия с веществом. Для установления закономерностей этих изменений необходимо знать, сколько частиц или фотонов, с какой энергией и в каком направлении проходят в каждой точке пространства, т.е. необходимо иметь представление о поле излучения.

При решении практических задач относительно часто используются следующие характеристики поля ионизирующего излучения:

Поток ионизирующих частиц (фотонов) F — отношение числа ионизирующих частиц dN, проходящих через данную поверхность за интервал временна, к этому интервалу:

F = dN/dt. (3.4)

Единица потока частиц — имеет размерность обратной секунды (с^-1) и равна потоку ионизирующих частиц, при котором через данную поверхность проходит одна частица за 1 с. Аналогично — поток энергии ионизирующих частиц:

F_w=dw/dt, (3.5)

где, dw — суммарная энергия (исключая энергию покоя) всех ионизирующих частиц, проходящих через данную поверхность за интервал времени dt.

Единица потока энергии ионизирующих частиц в СИ — джоуль в секунду (Дж/с) или ватт (Вт); внесистемная единица — электрон-вольт в секунду (эВ/с).

Флюенс (перенос) ионизирующих частиц (фотонов) Φ — отношение числа ионизирующих частиц dN, проникающих в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения ds этой сферы:

Ф = dN/ds. (3.6)

Единица флюенса частиц в СИ — м^-2. Он равен флюенсу, при котором в сферу с площадью поперечного сечения 1 м² проникает одна частица. Более предпочтительная единица — см^-2. Соответственно флюенс (перенос) энергии ионизирующих частиц Ф_w

Ф_w=dw/ds. (3.7)

Единица флюенса энергии ионизирующих частиц в СИ — Дж/м², но более предпочтительная на практике единица — МэВ/см².

Плотность потока ионизирующих частиц φ — отношение потока ионизирующих частиц dF, проникающих в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения ds этой сферы:

(3.8)

Единица плотности потока частиц в СИ — с^-1·м^-2. Более предпочтительная на практике внесистемная единица — с^-1·см^-2.

Плотность потока энергии ионизирующих частиц (интенсивность ионизирующих частиц) I — отношение потока энергии ионизирующих частиц dF_w, проникающего в элементарную сферу, к площади ее центрального сечения ds:

I=dF_w/ds. . (3.9)

Единица интенсивности в СИ — Дж/(с·м²) или (Вт/м²). Более предпочтительная на практике единица — МэВ/(см²·с).

К характеристикам поля излучения можно также отнести энергетический спектр ионизирующих частиц. Источники излучения, испускающие частицы или γ-кванты только одной энергии, называются моноэнергетическими. Таких источников очень немного. Значительно чаще источники испускают частицы или γ-кванты разных энергий. Спектр излучения таких источников может быть сплошным с какой-либо граничной (максимальной) энергией или дискретным.

ДОЗОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

Ионизация и возбуждения атомов среды — это те эффекты, которые определяют величину воздействия излучения на биологические объекты. Эти эффекты однозначно связаны с поглощенной энергией излучения в веществе. Поэтому основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия, является поглощенная доза ионизирующего излучения.

Поглощенная доза ионизирующего излучения D — отношение средней энергии dw, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме.

D = dw/dm. (3.10)

В единицах СИ поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм (Дж·кг^-1), и имеет специальное название — грей (Гр). Грей равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения любого вида равная 1 Дж. В практике еще используется внесистемная единица поглощенной дозы — рад. 1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр.

В биологических тканях поглощенная доза распределяется неравномерно (например, по глубине). Для исключения превышения допустимых доз, в качестве тканевых доз принимаются их максимальные значения. Когда говорят "тканевая доза", имеют ввиду поглощенную дозу в мягкой биологической ткани, весовой состав которой принимают следующим, в %: водород — 10,1; углерод — 11,1; азот — 2,6; кислород — 76,2.

Величина поглощенной дозы излучения зависит от свойств излучения и поглощающей среды. При этом биологическое действие одной и той же дозы различных видов излучения не одинаковое.

Мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения P — отношение приращения поглощенной дозы dD за интервал времени dt к этому интервалу:

P = dD/dt (3.11)

В системе СИ единица мощности поглощенной дозы 1 Гр/с = 1 Дж/(с·кг) = 1 Вт/кг. Внесистемная единица мощности поглощенной дозы 1 рад/с.

Как правило, в практической области радиационной безопасности масштабы измеряемых величин D, P таковы, что оказывается более предпочтительно использовать такие дробные единицы измерения: мГр, мГр/с соответственно.

Иногда для исключения некоторых неопределенностей требуется такая характеристика излучения по его воздействию на среду, которая была бы однозначно связана с параметрами поля излучения, например, с плотностью потока энергии. Для этих целей введена специальная величина керма К — отношение суммы первоначальных кинетических энергий dE_K всех заряженных частиц, образовавшихся под действием косвенно ионизирующего излучения в элементарном объеме вещества, к массе в этом объеме:

K = dE_K/dm. (3.12)

Керма применима, как для фотонов, так и для нейтронов в любом диапазоне доз и энергий излучения. Керму измеряют в тех же единицах, что и поглощенную дозу (Гр и рад).

Соответственно мощность кермы есть отношение приращения кермы dK за интервал времени dt к этому интервалу времени:

= dK/dt. (3.13)

Ее единицы измерения соответственно (Гр/с и рад/с).

Исторически первым, в качестве дозовой характеристики поля ионизирующего излучения, было развито понятие экспозиционной дозы. Оно введено для оценки поля фотонного излучения с энергией в диапазоне 1 кэВ — 3 МэВ.

Экспозиционная доза D_эксп—это отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе при полном торможении всех вторичных электронов, образованных
фотонами в элементарном объеме воздуха, к массе воздуха dm в этом объеме:

D_эксп⁼dQ/dm. (3.14)

Т.к. эффективные атомные номера воздуха и биологической ткани близки, воздух принято считать тканеэквивалентной средой для фотонного излучения.

Единица экспозиционной дозы в СИ —· кулон на килограмм (Кл/кг). Однако, как отмечалось выше, экспозиционную дозу рекомендовано изъять из обращения, и поэтому в дальнейшем, в случае необходимости, эта величина должна приводиться во внесистемных единицах, как это и сложилось на практике,

Рентген — экспозиционная доза фотонного излучения при прохождении которого через 0,001293 г [масса 1 см³ сухого атмосферного воздуха при нормальных условиях (0⁰C; 0,1013 MПa)] воздуха в результате завершения всех ионизационных процессов в воздухе создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака. Отметим связь единиц:

1P = 2,58·10^-4 Кл/кг. (3.15)

В условиях лучевого равновесия, т.е. такого состояния ионизирующего излучения и среды, когда поглощенная энергия излучения в некотором объеме среды равна сумме кинетических энергий ионизирующих частиц в том же объеме, внесистемной единице 1 P соответствует поглощенная доза 0,873 рад в воздухе или 0,95 рад в биологической ткани. Поэтому с погрешностью до 5% экспозиционную дозу в рентгенах и поглощенную дозу в радах можно считать совпадающими.

Мощность экспозиционной дозы (фотонного излучения) P_эксп — отношение приращения экспозиционной дозы dD_эксп за интервал времени dt к этому интервалу времени:

P_эксп=dD_эксп/dt· (3.16)

В СИ единица мощности экспозиционной дозы — ампер на килограмм (А/кг). Внесистемной единицей мощности экспозиционной дозы является (Р/с)—это такая мощность экспозиционной дозы, при которой за 1 с создается экспозиционная доза 1 P. Коэффициент связи между этой единицей и системной единицей тот же, что и для экспозиционной дозы.

Соотношение между системными единицами экспозиционной и поглощенной доз: 1 Кл/кг соответствует поглощенная доза 33,85 Гр в воздухе или 36,9 Гр в биологической ткани. Тогда как значение экспозиционной дозы в рентгенах и поглощенной дозы в радах отличаются во внесистемных единицах всего лишь в 1,14 раза. Соотношение же между системными и внесистемными единицами экспозиционной дозы и мощности дозы не равны целому числу, что затрудняет их совместное использование. Все это может быть причиной многочисленных ошибок. Поэтому и по ряду других причин (в соответствии с принятыми за рубежом рекомендациями) экспозиционная доза подлежит изъятию из употребления. В случае отступления в практике от этой рекомендации, следует указывать значения экспозиционной дозы и ее мощности во внесистемных единицах (P, Р/с или в соответствующих десятичных, дольных и кратных единицах) значения этих величин в единицах СИ (Кл/кг, А/кг и в их десятичных, дольных и кратных единицах) приводить не следует. Все вышесказанное распространяется и на использование гамма-постоянной (постоянной мощности экспозиционной дозы).

Биологический эффект для разных видов ионизирующих излучений не одинаков при прочих равных условиях, в том числе, при одинаковой поглощенной дозе. Оказывается важно не только количество ионов, образованных в единице массы биологической ткани, но и то, как распределены эти ионы по длине пути, т.е. осуществлена линейная плотность ионизации. Ее однозначно характеризует линейная передача энергии (ЛПЭ) излучения, L — отношение полной энергии dE, переданной веществу заряженной частицей вследствие столкновений на элементарном пути dl, к длине этого пути:

L =dE/dl (3.17)

В качестве единицы измерения ЛПЭ используется килоэлектронвольт на микрометр воды, 1 кэВ/мкм: 1 кэВ/мкм = 0,16 нДж/м.

Для оценки радиационной опасности излучения произвольного состава при хроническом облучении человека в малых дозах (в дозах, не превышающих пяти предельно допустимых годовых доз при облучении всего тела человека) вводится понятие эквивалентной дозы. Эквивалентная доза ионизирующего излучения H — основная дозиметрическая величина равная произведению поглощенной дозы D на средний коэффициент качества ионизирующего излучения в данном объеме биологической ткани стандартного состава:

H = D · . (3.18)

Единицей эквивалентной дозы в СИ является Зиверт (Зв). Зиверт — единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр образцового рентгеновского излучения. Иными словами, Зиверт равен эквивалентной дозе, у которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на средний коэффициент качества равен 1 Дж/кг.

Внесистемная единица эквивалентной дозы — бэр. Бэр равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на средний коэффициент качества равно 100 эрг/г. Таким образом: 1 Зв = 100 бэр.

Мощность эквивалентной дозы — отношение приращения эквивалентной дозы dH за интервал времени dt к этому интервалу времени:

= dH/dt. (3.19)

Единица мощности эквивалентной дозы в СИ — зиверт в секунду (Зв/с). Внесистемная единица — бэр в секунду (бэр/с).

Время пребывания человека в поле излучения при низких уровнях ионизирующего излучения измеряется, как правило, часами (6-часовой рабочий день, 36-часовая рабочая неделя). Масштаб величин мощностей эквивалентной дозы задает ее величина естественного фона на территории Украины, находящаяся в пределах 0,05 — 0,2 мкЗв/ч. Поэтому величину мощности эквивалентной дозы, как правило, удобно измерять в единицах микрозиверт в час.

Безразмерный коэффициент качества определяет зависимость

неблагоприятных биологических последствий облучения человека в малых дозах. Он является функцией ЛПЭ данного излучения в воде, и выбирается на основе имеющихся значений коэффициента относительной биологической эффективности (ОБЭ).

Таблица 3.3.

Зависимость коэффициента качества k
от ЛПЭ ионизирующего излучения

Между k и ЛПЭ имеется эмпирическая связь:

k = [A/L]·[1 - ехр(-В · L^2,03)], (3.20)

где: А = 6000 кэВ/мкм; В = 4,6· 10^-5 (мкм/кэВ)².

Среднее значение ЛПЭ для поля берется в кэВ/мкм. Вычисленные величины k в (3.20) имеют погрешность 3% для низких энергий и 10% для высоких энергий.

Под ОБЭ излучения понимают отношение поглощенной дозы образцового излучения, вызывающей определенный биологический эффект, к поглощенной дозе рассматриваемого излучения, вызывающей тот же самый биологический эффект. В качестве образцового излучения используют рентгеновское излучение с непрерывным энергетическим спектром с граничной энергией 200 кэВ и со средней ЛПЭ равной 3,5 кэВ/мкм воды. Однако значения k не полностью соответствуют ОБЭ по ряду наблюдаемых вредных эффектов. Например, при стохастическом эффекте при низком уровне поглощенной дозы и нестохастическом эффекте при большой поглощенной дозе у человека. Нестохастическими или пороговыми называются вредные эффекты облучения, если они выявляются начиная с какого-то определенного порогового значения дозы. Для этих эффектов вероятность их возникновения (частота) и степень тяжести возрастают с увеличением дозы. Последствия облучения человека, вероятность возникновения которых существует при сколь угодно малых дозах облучения (отсутствует порог) и возрастает с дозой, называют стохастическими или беспороговыми.

Если энергетический состав излучения неизвестен, рекомендуется использовать значения k, приводимые в табл. 3.4.

Таблица 3.4.