ДОЗЫ. ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Результат радиационного воздействия зависит от целого ряда факторов: количества радиоактивности во внешней среде и внутри организма, вида излучения и его энергии при распаде ядер радиоактивных изотопов, накопления радиоактивных веществ в организме и их выведении и др. Наибольшее значение при этом имеет количество поглощенной энергии излучения в расс-матриваемой массе вещества. В результате взаимодействия радиоактивного излучения со средой, включая биологические объекты, происходит передача ей определенной величины энергии излучения, которая затрачивается на процессы ионизации и возбуждения атомов и молекул среды. Часть излучения проходит через среду свободно, без поглощения, не оказывая на нее действия. Поэтому существует прямая зависимость между действием излучения и величиной поглощенной энергии. Это определяет дозу излучения.

Под дозой понимают меру действия ионизирующего излучения в опреде-ленной среде.

Доза – величина энергии излучения переданная веществу и рассчитанная на единицу массы или объема вещества.

С увеличением времени облучения объекта величина дозы увеличивается.

Для измерения количества поглощенной энергии необходимо подсчитать число пар ионов, образующихся под действием ионизирующего излучения. В связи с этим для количественной характеристики рентгеновского и гамма-излучений, действующих на объект, было введено понятие «экспозиционная доза».

Экспозиционная доза (Х)– доза, которая характеризует ионизационную способность рентгеновского или гамма-излучения (фотонного излучения) в воздухе при энергии квантов не более 3 МэВ. Ее еще называют физической.

Экспозиционная доза представляет собой 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 в указанном объеме:

Х = dQ/dm.

Экспозиционную дозу используют для оценки радиационной обстановки на местности, в рабочем или жилом помещении, обусловленной действием рентгеновского или гамма-излучения, а также для определения степени защит-ных свойств материалов экранов.

За единицу экспозиционной дозы в Международной системе единиц (СИ) принят кулон на килограмм (Кл/кг).

Кулон на килограмм это такая экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой сопряженная корпускулярная эмиссия (все электроны и позитроны, освобожденные фотонами) в объеме воздуха массой 1 кг производит ионы, несущие электрический заряд один кулон (Кл) каждого знака (+ и -).

С 1.01.1990 г. должны были быть изъяты из употребления внесистемные единицы, выражающие дозу и активность (Р, Рад, Бэр, Ки и др.). Однако они все еще употребляются, что объясняется, в частности, использованием на практике парка дозиметрических и радиометрических приборов, имеющих градуировку регистрирующих устройств во внесистемных единицах измерения.

Внесистемной единицей измерения экспозиционной дозы является рентген (Р). Эта единица принята в обращении с 1928 года.

Рентген – экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см³ (0,001293 г) воздуха при нормальных условиях (температура 0^о С и давление 760 мм рт. ст.) образуется 2,08·10⁹ пар ионов. Или рентген – экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой сопряженная корпускулярная эмиссия в 1 см³ воздуха при нормальных условиях создает ионы, несущие заряд в одну электростатическую единицу электричества каждого знака.

1 Р = 2,58·10 ^-4 Кл/кг; 1 Кл/кг = 3,88·10 ³ Р

Экспозиционную дозу в 1 рентген создает гамма-излучение источника радия с активностью 1 Ки на расстоянии 1 метр за 1 час.

Производные единицы рентгена: килорентген (1 кР = 10 ³ Р), миллирент-ген (1 мР = 10^-3 Р), микрорентген (1 мкР = 10^-6 Р).

Для корпускулярного ионизирующего излучения (альфа- и бета-частицы, нейтроны) была предложена внесистемная единица – физический эквивалент рентгена (фэр), при которой в воздухе образуется столько же пар ионов как и при экспозиционной дозе рентгеновского или гамма-излучения в 1 Р. Единица фэр не получила практического применения и в настоящее время не исполь-зуется. Для характеристики полей излучения лучше использовать плотность потока частиц (в том числе и фотонов) и интенсивность излучения (плотность потока энергии).

Экспозиционная доза неприемлема к корпускулярным видам излучения (альфа- и бета-частицам и др.), ограничена областью энергии квантов до 3 МэВ и отражает лишь меру количества фотонного излучения. Она не отражает коли-чество энергии излучения, поглощенной объектом облучения. В тоже время очень важно для оценки радиационного воздействия знать количество энергии излучения, которое поглотилось объектом. Для определения меры поглощенной энергии любого вида излучения в среде было введено понятие «поглощенная доза». По величине поглощенной дозы, зная атомный состав вещества, энергию излучения, можно рассчитать поглощенную дозу рентгеновского и гамма-излучения в любом веществе. Энергетический эквивалент рентгена равен 88 эрг/г (энергия, затраченная на образование 2,08·10⁹ пар ионов).

Поглощенная доза (D)– величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу:

D = de/dm,

где de – средняя энергия, переданная ионизирующим излучением вещест-ву, находящемуся в элементарном объеме, dm – масса вещества в этом объеме.

Или поглощенная доза – количество энергии любого вида ионизирующего излучения, поглощенное в определенном органе или ткани и рассчитанное на единицу массы.

Если обозначить энергию которая падает на объект значением Е, а энергию, прошедшую через объект – Е₁, то ∆Е будет поглощенной энергией:

∆Е = Е - Е₁.

Вместо термина «поглощенная доза излучения» допускается применение сокращенной формы «доза излучения».

Единицей измерения поглощенной дозы в Международной системе единиц является джоуль на килограмм (Дж/кг).

Джоуль на килограмм – такая единица поглощенной дозы, при которой в 1 кг массы облученного вещества любым видом ионизирующего излучения поглощается энергия в 1 джоуль.

Эта единица по другому получила название грей (Гр).

Грей – единица, как и внесистемная единица рентген, является эпоними-ческой, то есть, образована от имени ученого. Луи Гарольд Грей – английский радиобиолог, который занимался вопросами связи между физическими и биологическими эффектами излучения и внес большой вклад в развитие радиа-ционной дозиметрии.

Грей равен поглощенной дозе излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения равная 1 Дж (1 Гр = 1 дж/кг).

Используются и производные единицы от грея: мкГр, мГр и др.

С 1953 года была введена внесистемная единица поглощенной дозы – рад (от англ. radiation absorbed dose – поглощенная доза излучения), которая еще широко используется на практике в настоящее время.

Рад – поглощенная доза любого вида ионизирующего излучения, при которой в 1 г вещества поглощается энергия излучения равная 100 эрг.

1 рад = 100 эрг/г = 10^-2 дж/кг; 100 рад = 1 Гр.

Применяются дольные и кратные единицы рада: килорад (1 крад = 10³ рад), миллирад (1 мрад = 10^-3 рад), микрорад (1 мкрад = 10^-6 рад).

Для расчета поглощенной дозы используют формулу:

D = Х·F,

где D – поглощенная доза, Х – экспозиционная доза, F – коэффициент переходный, устанавливаемый опытным путем на фантоме (для воды и мягкой ткани F равен 0,93 или ≈ 1).

В воздухе доза излучения в 1 рентген энергетически эквивалентна 88 эрг/г, поглощенная доза из определения равна 100 эрг/г, следовательно, поглощенная доза в воздухе составит 0,88 рад (88:100 = 0,88).

В условиях лучевого равновесия, при котором сумма энергий заряженных частиц, покидающих рассматриваемый объем, соответствует сумме энергий заряженных частиц, входящих в этот объем, можно установить энергетический эквивалент экспозиционной дозы.

Экспозиционной дозе в воздухе Х = 1 Р соответствует поглощенная доза D = 0,873 рад, а 1 Кл/кг = 33,85 Гр. В биологической ткани: 1 Р соответствует 0,96 рад и 1 Кл/кг соответствует 33,85 Гр. Таким образом, с небольшой погрешностью (до 5%) при равномерном облучении фотонным излучением поглощенная доза в биологической ткани совпадает с экспозиционной дозой, измеренной в рентгенах.

При облучении живых организмов возникают различные биологические эффекты, разница между которыми при одной и той же поглощенной дозе объясняется степенью опасности для организма разных видов излучения.

Принято сравнивать биологические эффекты, вызываемые любыми иони-зирующими излучениями, с эффектами от фотонного, то есть рентгеновского и гамма-излучения, а также пространственное распределение в облучаемом объекте поглощенной энергии. При одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение гораздо опаснее бета- или гамма-излучения. Для учета этого явления введено понятие «эквивалентная доза».

Эквивалентная доза ‌ (Н)‌– поглощенная доза в органе или ткани, умно-женная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения (W_R):

Н_TR = D_TR·W_R,

где D_TR – средняя поглощенная доза в органе или ткани Т, W_R – взвешивающий коэффициент для излучения R.

При воздействии на объект различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения.

Эквивалентная доза является основной величиной, определяющей уро-вень радиационной опасности при хроническом облучении человека и живот-ных в малых дозах.

В международной системе единиц (СИ) за единицу эквивалентной дозы принят зиверт (Зв). Единица зиверт предназначена только для использования в области радиационной безопасности.

Эта единица измерения эквивалентной дозы получила название в честь шведского ученого Рольфа Зиверта, который занимался исследованиями в области дозиметрии и радиационной безопасности.

Зиверт – эквивалентная доза любого вида излучения, поглощенная 1 кг биологической ткани и создающая такой же биологический эффект как и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения.

Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является бэр (аббревиатура – биологический эквивалент рентгена).

Бэр – эквивалентная доза любого вида ионизирующего излучения, при которой в биологической ткани создается такой же биологический эффект, как и при дозе рентгеновского или гамма-излучения в 1 рентген.

1 бэр = 1·10^-2 Дж/кг;

100 бэр = 1 Зв.

Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчете эквивалентной дозы (W_R) – используемые в радиационной защите множители поглощенной дозы, учитывающие относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов. Ранее с этой целью использовали коэффициент качества (Q) или относительной биологической эффективности (ОБЭ).

Коэффициент качества излучения предназначен для учета влияния микрораспределения поглощенной энергии на степень проявления вредного биологического эффекта и выбирается на основе имеющихся значений коэф-фициента ОБЭ.

Коэффициент ОБЭ, или (Q) показывает, во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем рентгеновского или гамма-излучения при одинаковой поглощенной дозе в тканях. Чем выше удельная ионизация, тем больше значения коэффициента ОБЭ, или (Q).

Взвешивающие коэффициенты (W_R) для отдельных видов излучения:

Фотоны любых энергий (рентгеновское или гамма-излучение) ……1

Электроны (бета-частицы)……………………………………………..1

Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра …………….…… 20

Различают также следующие виды доз: эффективную, эффективную ожидаемую при внутреннем облучении, эффективную коллективную и эффективную годовую.

Доза эффективная (Е) – величина, используемая как мера риска возни-кновения отдаленных последствий облучения всего тела, и отдельных его орга-нов с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органе Н_tТ на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного органа или ткани:

Е = ∑W_Т·Н_tТ,

где Н_tТ – эквивалентная доза в ткани за время t, а W_Т – взвешивающий коэффициент для ткани Т.

Таким образом, умножив эквивалентную дозу на соответствующие коэф-фициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную дозу.

Единица измерения эффективной дозы в СИ – зиверт (Зв).

Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы (W_Т) – множители эквивалентной дозы в органах и тканях, используемые в радиационной защите для учета различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации:

Гонады…………………………………….0,20

Костный мозг (красный)………………....0,12

Легкие, желудок, толстый кишечник.…..0,12

Пищевод, печень………………………….0,05

Мочевой пузырь…………………………..0,05

Грудная железа……………………………0,05

Щитовидная железа………………………0,05

Кожа, клетки костных поверхностей…... 0,01

Остальные органы………………………...0,05

Доза эффективная ожидаемая при внутреннем облучении– доза за время, прошедшее после поступления радиоактивных веществ в организм.

Доза эффективная коллективная (S) – мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения. Она определяется как сумма индивидуальных эффективных доз, или величина, характеризующая полное воздействие излучения на группу людей: S = ∑Е_n·N _n ,

где Е_n – средняя эффективная доза на n-ю подгруппу группы людей; N _n – число людей в подгруппе. Она измеряется в человеко-зивертах (чел.-Зв).

Доза эффективная (эквивалентная) годовая –сумма эффективной (эквивалентной) дозы внешнего облучения, полученной за календарный год, и ожидаемой эффективной (эквивалентной) дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением в организм радионуклидов за этот же год. Единица эффективной годовой дозы в СИ – зиверт (Зв).

Надо отметить, что существую и другие виды доз. Например, различают дозу в воздухе, на поверхности или в глубине облучаемого объекта, очаговую и интегральную дозы. Для оценки радиочувствительности и радиопоражаемости организма животных принято использовать термины – ЛД₅₀/₃₀ и ЛД₁₀₀/₃₀ – дозы облучения, которые вызывают смерть (гибель) соответственно 50% и 100% животных в течение 30 суток.

МОЩНОСТЬ ДОЗЫ

Доза с течением времени накапливается. Суммарная доза излучения выше смертельной, полученная организмом за длительный промежуток времени, может не вызвать лучевого поражения. Доза меньше смертельной, но получен-ная за малый промежуток времени, может привести к гибели организма. В связи с этим было введено понятие мощности дозы.

Мощность дозы (Р) – доза излучения, отнесенная к интервалу времени за который она получена:

Р = Д/Т,

где Д – доза излучения (экспозиционная, поглощенная, эквивалентная и др.); Т – интервал времени (час, мин, с), за который она получена.

Мощность дозы характеризует скорость накопления дозы и может изменяться со временем.

Мощность экспозиционной дозы – отношение приращения экспозиционной дозы dX за интервал времени dt к этому интервалу:

X = dX /dt.

Единицей мощности экспозиционной дозы в СИ является ампер на килог-рамм (А/кг = Кл/кг·с). Кл/с = А.

Внесистемной единицей – рентген в час (Р/ч), миллирентген в час (мР/ч),

микрорентген в час (мкР/Ч), или производные: рентген в минуту (Р/мин), рентген в секунду (Р/с).

1 А/кг = 1,08·10⁷ Р/ч = 1,08·10¹³ мкР/ч, 1 Р/ч = 10³ мР/ч = 10⁶ мкР/ч;

1 мР/ч = 10³ мкР/ч.

Мощность экспозиционной дозы соответствует значению «уровень гамма- фона», так как экспозиционная доза характеризует только действие рентген-овского и гамма-излучений в воздухе.

Нормативным для Республики Беларусь считается уровень гамма-фона не более 20 мкР/ч, или 0,020 мР/ч.

Мощность поглощенной дозы – отношение приращения экспозиционной дозы dD за интервал времени dt:

D = dD /dt.

Мощность поглощенной дозы в СИ – ватт на килограмм (Вт/кг = Дж/кг·с). Дж/с = Вт. Допускается на практике использование Гр/ч, Гр/с. Внесистемные единицы мощности поглощенной дозы: рад в час (рад/ч), рад в минуту (рад/мин), рад в секунду (рад/с).

Мощность эквивалентной дозы – отношение приращения эквивалентной дозы dH за время dt:

H = dH/dt.

Для измерения мощности эквивалентной дозы используют единицы: Зв/год, Зв/с, мЗв/с (в СИ); бэр/год, бэр/с (внесистемные единицы) и др.

Мощность эквивалентной дозы гамма-излучения (нормативная) для Республики Беларусь составляет не более 0,20 мкЗв/ч (0,20 мкЗв/ч = 20 мкР/ч).