Тема 4. Дозиметрия ионизирующих излучений

Предмет и задачи. Дозиметрия: цели и задачи. Дозы излучения: экспозиционная, поглощенная, эквивалентная и единицы их измерения. Радиационный фон и его составляющие.

Дозиметрия ионизирующих излучений (от греч. dоsis – «порция», «приём» и metreo – «измеряю») - это раздел радиологии, в котором определяют уровень радиации от различных источников, радиационный фон, дозы излучения и методы их пересчета.

Дозиметрические исследования являются функцией сотрудников радиологических отделов республиканских, межобластных и краевых ветеринарных лабораторий, а также радиологических групп при районных и зональных лабораториях.

Дозиметрические данные чрезвычайно важны для оценки биологического эффекта излучений при их внутреннем и внешнем воздействии на организм. Без дозиметрии нельзя контролировать радиационную безопасность и работать с радиоактивными веществами.

Необходимость в разработке дозиметрии возникла вскоре после открытия Вильгельмом Рентгеном в 1895 г. излучения, названного его именем. Но лишь спустя почти 7 лет с момента этого открытия, английский ученый Роллинз в 1902 г. предложил ограничить облучение работающих дозой, которая вызывала почернение применявшихся в тот период времени фотоэмульсии, что соответствовало экспозиционной дозе 10 Р/сут. Однако первое четкое представление о физически обоснованном понятии дозы, достаточно близком к современному, разработал швейцарский врач и физик Кристен в статье «Измерение и дозировка рентгеновских лучей».

Прежде чем в дозиметрии начали применять физически обоснованные методы, применяли биологические методы дозиметрии. Так, обнаруженные и впоследствии хорошо изученные ранние поражения кожных покровов у лиц, работающих с ионизирующим излучением, послужили основанием для предложений ведущих радиологов мира об ограничении профессионального облучения.

Методы дозиметрии можно классифицировать по разным признакам. Так, в зависимости от вида регистрируемого эффекта различают ионизационный, фотографический, химический, люминесцентный, калориметрический, сцинтилляционный методы, метод следов повреждения и др.

В круг задач дозиметрии входят измерение и расчет доз ионизирующих излучений в полях источников излучений и в биологических объектах. В связи с эти возникло понятие радиационного фона – как дозы ионизирующего излучения, обусловленного комплексным действием естественных и техногенных радиационных факторов.

Степень радиационного поражения биологических объектов зависит от дозы облучения. Но эта зависимость у многоклеточных не является прямолинейной, так как определяется рядом факторов: свойствами излучения, видовой, индивидуальной и тканевой радиочувствительностью, и образованием радиотоксинов.

Без знания доз излучения невозможно прогнозировать тяжесть лучевого поражения, контролировать радиационную безопасность людей и животных при различных радиационных авариях. Доза - это количество вещества или энергии, введенное или поступившее в организм.

Экспозиционная доза излучения - это доза гамма- и рентгеновского излучения, идущая от источника и вызывающая ионизацию воздуха.

На практике применяется внесистемная единица - рентген, принятая в 1928 г. II Международным конгрессом радиологов в Стокгольме.

Один рентген – это такое количество энергии рентгеновского или гамма-излучения, которая в 1 см³ воздуха при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. и температуре 0°С приводит к образованию 2,08 × 10⁹ пар ионов.

Она измеряется в рентгенах и его производных:

1) дольных: мР = 10^-3 Р (миллирентген); мкР = 10^-6 Р (микрорентген) и др.; 2) кратных: кР = 10³ Р (килорентген); МР = 10⁶ Р (мегарентген) и др.

За единицу измерения экспозиционной дозы в Международной системе единиц (СИ) (от франц. Le Système International d’Unités, SI) принят кулон на килограмм (Кл/кг).

Это такое количество энергии рентгеновского и гамма - излучения, которое в килограмме сухого воздуха образует ионы, несущие суммарный заряд, в один кулон электричества каждого знака.

1 Кл/кг = 3876 Р 1 Р = 2,58 × 10^-4 Кл/кг

Поглощенная дозаизлучения - количество энергии любого вида излучения, поглощенное единицей массы любого облучаемого вещества и определяемое отношением поглощенной энергии ИИ к массе вещества.

Она определяется по формуле:

D = X × K, где

X - экспозиционная доза излучения;

K - коэффициент поглощения.

Поглощение энергии ИИ зависит от многих факторов:

- величины экспозиционной дозы;

- величины коэффициента К, характеризующего плотность облучаемого объекта (например, для воздуха - 0,88; для биологической ткани: костной - 2 - 5; для жировой - 0,6; для всего живого организма в целом - 0,92 - 0,93).

- расстояния источника ИИ до облучаемого объекта, состояния воздушной среды;

- угла падения лучей на объект;

- массы животного и его позы.

В качестве единицы поглощенной дозы излучения в системе СИ принят грей (Гр) в честь английского ученого Льюиса Грэя (L.Н. Gray, 1905-1965), известного своими трудами в области радиационной дозиметрии.

1 Гр равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой в 1 кг передается энергия ионизирующего излучения, равная 1 Дж, т. е. 1 Гр = 1 Дж / кг.

Грей имеет различные кратные (кГр, МГр и т.д.) и дольные производные (мкрад, мрад и т.д.) величины.

В практической системе используется рад или радиационно абсорбционная доза (от англ. radiation absorbed dose). Это такая доза, при которой одним граммом облучаемого вещества поглощается 100 эргов энергии любого вида ИИ, т. е. 1 рад = 100 эрг / г.

Также как и грей, рад имеет как различные кратные (крад, Мрад и т.д.), так и дольные производные (мкрад, мрад и т.д.) величины.

1 Гр = 100 рад 1 рад = 0,01 Гр

Так как разные виды излучения обладают различными ионизирующими свойствами, при одной и той же поглощенной дозе они оказывают неодинаковое поражающее действие на организм.

Поэтому радиобиологический эффект тем выше, чем больше степень ионизации, создаваемая излучением. Гамма- и бета - излучения поражают биологические ткани почти одинаково, а альфа-лучи - в 20 раз сильнее! Чтобы учесть этот эффект, было введено понятие эквивалентной дозы.

Эквивалентная доза – это производная поглощенной дозы с учетом ионизирующей способности излучения.

Она рассчитывается путем умножения величины поглощенной дозы на коэффициент относительной биологической эффективности (K_ОБЭ) или коэффициент качества:

H = D × K_ОБЭ , где

D - поглощенная доза излучения;

K_ОБЭ - коэффициент относительной биологической эффективности, который сравнивает от любого вида излучения с биологическим эффектом от гамма-лучей.

Таблица 6 – Значения K_ОБЭ для разных видов излучений

Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт (Зв), названный в честь известного шведского физика Рольфа Зиверта (R.М. Sievert, 1896-1966) – одного из родоначальников радиобиологии, основателя и первого председателя Международного комитета по радиологической защите (МКРЗ, ICRP).

В качестве практической (внесистемной) единицы используется бэр (биологический эквивалент рентгена).

Один бэр – это такая доза любого вида ИИ, при которой в лю-

бом живом организме создается такой же биологический эффект, как при поглощенной дозе рентгеновского или гамма-излучения в один рад. Зиверт и бэр имеют дольные и кратные величины измерения.

1 Зв = 100 бэр 1 бэр = 0,01 Зв

В текст Закона РФ «О радиационной безопасности населения» введено понятие эффективной дозы излучения - величины, используемой в качестве меры риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения взрослого человека, возникновение рака легких более вероятно, чем щитовидной железы. А облучение гонад особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Единицы измерения эффективной дозы совпадают с единицами измерения эквивалентной дозы.

Эта доза представляет собой сумму произведений эквивалентной дозы в органах (тканях) на соответствующие взвешивающие коэффициенты (W_T). Их устанавливают эмпирически и рассчитывают таким образом, чтобы их сумма для всего организма составляла единицу. Значения некоторых из них приведены в таблице 7.

Установлены следующие основные гигиенические нормативы (допустимые пределы эффективной дозы) облучения на территории Российской Федерации при использовании источников ионизирующего излучения:

- для населения средняя годовая эффективная доза равна 0,001 зиверта или эффективная доза за период жизни (70 лет) - 0,07 зиверта; в отдельные годы допустимы большие значения эффективной дозы при условии, что средняя годовая эффективная доза, определенная за пять последовательных лет, не превысит 0,001 зиверта;

- для работников средняя годовая эффективная доза равна 0,02 зиверта или эффективная доза за период трудовой деятельности (50 лет) - 1 зиверту; допустимо облучение в годовой эффективной дозе до 0,05 зиверта при условии, что средняя годовая эффективная доза, исчисленная за пять последовательных лет, не превысит 0,02 зиверта.

Таблица 7 - Значения коэффициента W_T для разных органов и тканей

В таблице 8 приведены основные физические величины в радиобиологии и их единицы измерения.

Таблица 8 – Основные физические величины в радиобиологии и их единицы

Регламентируемые значения основных пределов доз облучения не включают в себя дозы, создаваемые естественным радиационным и техногенно измененным радиационным фоном, а также дозы, получаемые гражданами (пациентами) при проведении медицинских рентгенорадиологических процедур и лечения.

Указанные значения пределов доз облучения являются исходными при установлении допустимых уровней облучения организма человека и отдельных его органов.