Дозиметрия. Дозы облучения. Мощность дозы

Необходимость количественной оценки действия ионизирующего излучения на различные вещества живой и неживой природы привела к появлению дозиметрии.

Дозиметрия – раздел ядерной физики и измерительной техники, в котором изучают величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения.

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.

Процессы взаимодействия излучения с тканями протекают по-разному для различных типов излучений и зависят от вида ткани. Но во всех случаях происходит преобразование энергии излучения в другие виды энергии. В результате часть энергии излучения поглощается веществом.

Поглощенная энергия– первопричина всех последующих процессов, которые в конечном итоге приводят к биологическим изменениям в живом организме. Количественно действие ионизирующего излучения (независимо от его природы) оценивается по энергии, переданной веществу. Для этого используется специальная величина – доза излучения (доза-порция).

Поглощенная доза

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 ионизирующего излучения 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.

Поглощенная доза (D)–величина, равная отношению энергии ΔΕ, переданной элементу облучаемого вещества, к массеΔm этого элемента:

D = ΔE/Δm

В СИ единицей поглощенной дозы является грей (Гр), в честь английского физика-радиобиолога Луи Гарольда Грея, (L.Н. Gray, 1905-1965), известного своими трудами в области радиационной дозиметрии.

1 Грэто поглощенная доза ионизирующего излучения любого вида, при которой в 1 кг массы вещества поглощается энергия 1 Дж энергии излучения, то есть

1 Гр = 1 Дж/кг

Эквивалентная доза

Величина поглощенной дозы учитывает только энергию, переданную облучаемому объекту, но не учитывает «качество излучения».

Понятие качества излучения характеризует способность данного вида излучения производить различные радиационные эффекты.

Для оценки качества излучения вводят параметр – коэффициент качества (quality factor). Он является регламентированной величиной, его значения определены специальными комиссиями и включены в международные нормы, предназначенные для контроля над радиационной опасностью.

Коэффициент качества (К) показывает, во сколько раз биологическое действие данного вида излучения больше, чем действие фотонного излучения, при одинаковой поглощенной дозе.

Коэффициент качества – безразмерная величина. Его значения для некоторых видов излучения приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения коэффициента качества

Эквивалентная доза (Н)равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент качества для данного вида излучения:

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 2

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 любом 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

Если организм подвергается действию нескольких видов излучения, то их эквивалентные дозы (Н_i) суммируются:

H = ΣH_i – ΣK_i • D_i

Эффективная доза

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.

При общем однократном облучении организма разные органы и ткани обладают различной чувствительностью к действию радиации.

Так, при одинаковой эквивалентной дозе риск генетических повреждений наиболее вероятен при облучении репродуктивных органов. Риск возникновения рака легких при воздействии α-излучения радона в равных условиях облучения выше, чем риск возникновения рака кожи и т.д. Поэтому понятно, что дозы облучения отдельных элементов живых систем следует рассчитывать с учетом их радиочувствительности.

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 3.

Таблица 3

Значения коэффициента W_T для разных органов и тканей

Эффективная доза (Н_эф)– это величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека с учетом радиочувствительности отдельных его органов и тканей.

Эффективная доза равна сумме произведений эквивалентных доз в органах и тканях на соответствующие им весовые коэффициенты:

Суммирование ведется по всем тканям, перечисленным в табл. 3.. Эффективные дозы, как и эквивалентные, измеряются в бэрах и зивертах.

Экспозиционная доза

Поглощенная и связанная с ней эквивалентная дозы облучения характеризуют энергетическое действиерадиоактивного излучения. В качестве характеристики ионизирующего действия излучения используют другую величину, называемую экспозиционной дозой. Экспозиционная доза является мерой ионизации воздуха рентгеновскими и γ-лучами.

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

Экспозиционная доза (Х) равна заряду всех положительных ионов, образующихся под действием излучения в единице массы воздуха при нормальных условиях.

В СИ единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг).

Кулон– это очень большой заряд. Поэтому на практике пользуются внесистемной единицей экспозиционной дозы, которая называется рентгеном (Р),

1 Р =2,58•10^-4 Кл/кг.

При экспозиционной дозе 1 Р в результате ионизации в 1 см³ сухого воздуха при нормальных условиях образуется 2,08х10⁹ пар ионов.

Связь между поглощенной и экспозиционной дозами выражается соотношением

D = f X

где f – некоторый переводной коэффициент, зависящий от облучаемого вещества и длины волны излучения. Кроме того, величина f зависит от используемых единиц доз.

Значения f для единиц рад и рентген приведены в табл. 4.

Таблица 4

Значения переводного коэффициента из рентген в рад

В мягких тканях f ≈ 1, поэтому поглощенная доза излучения в радах численно равна соответствующей экспозиционной дозе в рентгенах. Это обусловливает удобство использования внесистемных единиц рад и Р.

Таблица 5

Соотношения между различными дозамивыражаются следующими формулами:

Мощность дозы

Мощность дозы (N)–величина, определяющая дозу, полученную объектом за единицу времени.

При равномерном действии излучения мощность дозы равна отношению дозы ко времени t, в течение которого действовало ионизирующее излучение:

Если источник излучения можно считать точечным, то мощность экспозиционной дозы прямо пропорциональна активности радионуклида (А) и обратно пропорциональна квадрату расстояния до точки облучения (r):

где κ_γ - гамма-постоянная, характерная для данного радиоактивного препарата.

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.

В таблице 6 приведены основные физические величины в радиобиологии и их единицы измерения.

Таблица 6

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.