У чому вимірюється доза випромінювання. Одиниці виміру радіоактивного випромінювання. Наслідки опромінення радіоактивними хвилями

1. Дозиметрія. Дози опромінення. Потужність дози.

2. Біологічні ефекти доз опромінення. Граничні дози.

3. Дозиметричні прилади. Детектори іонізуючого випромінювання.

4. Способи захисту від іонізуючого випромінювання.

5. Основні поняття і формули.

6. Завдання.

34.1. Дозиметрія. Дози опромінення. потужність дози

Необхідність кількісної оцінки дії іонізуючого випромінювання на різні речовини живої і неживої природи привела до появи дозиметрії.

дозиметрія - розділ ядерної фізики і вимірювальної техніки, в якому вивчають величини, що характеризують дію іонізуючого випромінювання на речовини, а також методи і прилади для їх вимірювання.

Процеси взаємодії випромінювання з тканинами протікають по-різному для різних типів випромінювань і залежать від виду тканини. Але у всіх випадках відбувається перетворення енергії випромінювання в інші види енергії. В результаті частина енергії випромінювання поглинається речовиною. поглинена енергія- першопричина всіх подальших процесів, які в кінцевому підсумку призводять до біологічних змін в живому організмі. Кількісно дію іонізуючого випромінювання (незалежно від його природи) оцінюється по енергії, переданої речовині. Для цього використовується спеціальна величина - доза випромінювання(Доза - порція).

поглинена доза

поглинена доза(D) - величина, що дорівнює відношенню енергіїΔ Ε, переданої елементу речовини, що опромінюється, до масиΔ m цього елемента:

В СІ одиницею поглиненої дози є грей (Гр),на честь англійського фізика-радіобіології Луї Гарольда Грея.

1 Гр -це поглинена доза іонізуючого випромінювання будь-якого виду, при якій в 1 кг маси речовини поглинається енергія 1 Дж енергії випромінювання.

У практичній дозиметрії зазвичай користуються позасистемної одиницею поглиненої дози - радий(1 радий= 10 -2 Гр).

еквівалентна доза

величина поглиненої дозивраховує тільки енергію, передану опромінюється, але не враховує «якість випромінювання». поняття якості випромінюванняхарактеризує здатність даного виду випромінювання виробляти різні радіаційні ефекти. Для оцінки якості випромінювання вводять параметр - коефіцієнт якості (quality factor).Він є регламентованої величиною, його значення визначено спеціальними комісіями і включені в міжнародні норми, призначені для контролю за радіаційною небезпекою.

коефіцієнт якості(К) показує, у скільки разів біологічна дія даного виду випромінювання більше, ніж дію фотонного випромінювання, при однаковій поглиненої дози.

коефіцієнт якості- безрозмірна величина. Його значення для деяких видів випромінювання наведені в табл. 34.1.

Таблиця 34.1.Значення коефіцієнта якості

еквівалентна доза(Н) дорівнює поглиненої дози, помноженої на коефіцієнт якості для даного виду випромінювання:

В СІ одиниця еквівалентної дози називається зіверт (Зв) -в честь шведського фахівця в галузі дозиметрії та радіаційної безпеки Рольфа Максиміліана Зіверт. Поряд з зівертвикористовується і позасистемна одиниця еквівалентної дози - бер(Біологічний еквівалент рентгена): 1 бер\u003d 10 -2 Зв.

Якщо організм піддається дії декількох видів випромінювання,то їх еквівалентні дози (Н i) підсумовуються:

ефективна доза

При загальному одноразовому опроміненні організму різні органи і тканини мають різну чутливість до дії радіації. Так, при однаковій еквівалентній дозіризик генетичних ушкоджень найбільш вірогідний при опроміненні репродуктивних органів. Ризик виникнення раку легенів при впливі α-випромінювання радону в рівних умовах опромінення вище, ніж ризик виникнення раку шкіри і т.д. Тому зрозуміло, що дози опромінення окремих елементів живих систем слід розраховувати з урахуванням їх радіочутливості. Для цього використовуються вагові коефіцієнти b T (Т - індекс органу або тканини), наведені в табл. 34.2.

Таблиця 34.2.Значення вагових коефіцієнтів органів і тканин при розрахунку ефективної дози

Закінчення табл. 34.2

ефективна доза(Н еф) - це величина, яка використовується як міра ризику виникнення віддалених наслідків опромінення всього тіла людини з урахуванням радіочутливості окремих його органів і тканин.

ефективна дозадорівнює сумі добутків еквівалентних доз в органах і тканинах на відповідні їм вагові коефіцієнти:

Підсумовування ведеться по всіх тканинах, перерахованим в табл. 34.2. Ефективні дози, як і еквівалентні, вимірюються в берахі зіверт.

експозиційна доза

Поглинена і пов'язана з нею еквівалентна дози опромінення характеризують енергетичне діюрадіоактивного випромінювання. Як характеристики іонізуючого діївипромінювання використовують іншу величину, звану експозиційною дозою.Експозиційна доза є мірою іонізації повітря рентгенівськими і γ-променями.

експозиційна доза(Х) дорівнює заряду всіх позитивних іонів, що утворюються під дією випромінювання в одиниці маси повітря при нормальних умовах.

В СІ одиницею експозиційної дози є кулон на кілограм (Кл / кг). кулон -це дуже великий заряд. Тому на практиці користуються позасистемної одиницею експозиційної дози, яка називається рентгеном(Р), 1 Р\u003d 2,58х10 -4 Кл / кг.При експозиційній дозі 1 Рв результаті іонізації в 1 см 3 сухого повітря при нормальних умовах утворюється 2,08х10 9 пар іонів.

Зв'язок між поглиненої і експозиційної дозами виражається співвідношенням

де f - деякий перекладної коефіцієнт, що залежить від речовини, що опромінюється і довжини хвилі випромінювання. Крім того, величина f залежить від використовуваних одиниць доз. Значення f для одиниць радийі рентгеннаведені в табл. 34.3.

Таблиця 34.3.Значення переказного коефіцієнта з рентгенв радий

У м'яких тканинах f ≈ 1, тому поглинена доза випромінювання в радахчисельно дорівнює відповідній експозиційній дозі в рентгенах.Це обумовлює зручність використання позасистемних одиниць радийі Р.

Співвідношення між різними дозамивиражаються наступними формулами:

потужність дози

потужність дози(N) - величина, що визначає дозу, отриману об'єктом за одиницю часу.

При рівномірному дії випромінювання потужність дозидорівнює відношенню дози до часу t, протягом якого діяло іонізуюче випромінювання:

де κ γ - гамма-постійна, характерна для даного радіоактивного препарату.

У табл. 34.4 наведені співвідношення між одиницями доз.

Таблиця 34.4.Співвідношення між одиницями доз

34.2. Біологічні ефекти доз опромінення. граничні дози

Біологічна дія випромінювання з різною еквівалентною дозою зазначено в табл. 34.5.

Таблиця 34.5.Біологічна дія разових ефективних доз

граничні дози

Норми радіаційної безпеки встановлюють граничні дози(ПД) опромінення, дотримання яких забезпечує відсутність клінічно виявляються біологічних ефектів опромінення.

гранична доза- величина річної ефективноїдози техногенного опромінення, яка не повинна перевищуватися в умовах нормальної роботи.

Величини граничних доз різні для персоналуі населення.Персонал - це особи, які працюють з техногенними джерелами випромінювання (група А) і знаходяться за умовами роботи у сфері їх впливу (група Б). Для групи Б все межі доз встановлені вчетверо меншими, ніж для групи А.

Для населення межі доз менше в 10-20 разів, ніж для групи А. Значення ПД наведені в табл. 34.6.

Таблиця 34.6.Основні граничні дози

Природний (природний) радіаційний фонстворюється природними радіоактивними джерелами: космічними променями (0,25 мЗв / рік);радіоактивністю надр (0,52 мЗв / рік);радіоактивністю їжі (0,2 мЗв / рік).

Ефективна доза до 2 мЗв / рік(10-20 мкР / год), одержувана за рахунок природного радіаційного фону,вважається нормальною. Як і при техногенному опроміненні, високим вважається рівень опромінення більше 5 мЗв / рік.

на земній кулі є місця, де природний фон дорівнює 13 мЗв / рік.

34.3. Дозиметричні прилади. Детектори іонізуючого випромінювання

дозиметри- пристрої для вимірювання дозіонізуючого випромінювання або величин, пов'язаних з дозами. Дозиметр містить в собі детекторвипромінювання і вимірювальний пристрій, яке градуйованим в одиницях дози або потужності.

детектори- пристрої, що реєструють різні види іонізуючого випромінювання. Робота детекторів заснована на використанні тих процесів, які викликають у них реєструються частки. Розрізняють 3 групи детекторів:

1) інтегральні детектори,

2) лічильники,

3) трекові детектори.

інтегральні детектори

Ці пристрої дають інформацію про повну потоці іонізуючого випромінювання.

1. Фотодозіметр.Найпростішим інтегральним детектором є светонепроницаемая касета з рентгенівською плівкою. Фотодозіметр - це індивідуальний інтегральний лічильник, яким забезпечуються особи, що стикаються з випромінюванням. Плівка проявляється через певний проміжок часу. За ступенем її почорніння можна визначити дозу опромінення. Детектори цього типу дозволяють вимірювати дози від 0,1 до 15 Р.

2. Іонізаційна камера.Це прилад для реєстрації іонізуючих частинок методом вимірювання величини іонізації (числа пар іонів), виробленої цими частками в газі. Найпростіша іонізаційна камера являє собою два електроди, поміщених в заповнений газом обсяг (рис. 34.1).

До електродів докладено постійна напруга. Частинки, що потрапляють в простір між електродами, іонізують газ, і в ланцюзі виникає струм. Сила струму пропорційна числу утворених іонів, тобто потужності експозиційної дози. Електронне інтегрує пристрій визначає і саму дозу Х.

Мал. 34.1.іонізаційна камера

Лічильники

Ці пристрої призначені для підрахунку кількості частинок іонізуючого випромінювання, що проходять через робочий об'ємабо потрапляють на робочу поверхню.

1. На малюнку 34.2 представлена \u200b\u200bсхема газорозрядної лічильника Гейгера-Мюллера,принцип дії якого заснований на утворенні електричного імпульсного розряду в газонаповненої камері при попаданні окремої іонізуючої частинки.

Мал. 34.2.Схема лічильника Гейгера-Мюллера

Лічильник являє собою скляну трубку з напиленням на її бічну поверхню шаром металу (катод). Всередині трубки пропущена тонка дріт (анод). Тиск газу всередині трубки становить 100-200 мм рт.ст. Між катодом і анодом створюється висока напруга порядку сотень вольт. При попаданні в лічильник іонізуючої частинки в газі утворюються вільні електрони, які рухаються до анода. Поблизу тонкої нитки анода напруженість поля велика. Електрони поблизу нитки прискорюються настільки, що починають іонізувати газ. В результаті виникає розряд і по ланцюгу протікає струм. Самостійний розряд треба погасити, інакше лічильник не зреагує на наступну частку. На включеному в ланцюг високоомному опорі R відбувається значне падіння напруги. Напруга на лічильнику зменшується, і розряд припиняється. Також до складу газу вводиться речовина, відповідне якнайшвидшому гасіння розряду.

2. Вдосконаленим варіантом лічильника Гейгера-Мюллера є пропорційний лічильник,в якому амплітуда імпульсу струму пропорційна енергії, виділеної в його обсязі реєстрованої часткою. Такий лічильник визначає поглинену дозувипромінювання.

3. На іншому фізичному принципі заснована дія сцинтиляційних лічильників.Під дією іонізуючого випромінювання в деяких речовинах відбуваються сцинтиляції, тобто спалаху, число яких підраховується за допомогою фотоелектронного помножувача.

трекові детектори

Детектори цього типу використовуються в наукових дослідженнях. В трекових детекторахпроходження зарядженої частинки фіксується у вигляді просторової картини сліду (треку) цієї частки; картина може бути сфотографована або зареєстрована електронними пристроями.

Поширеним типом трекового детектора є камера Вільсона.Видимий частка проходить через обсяг, заповнений перенасиченим паром,і іонізує його молекули. На утворилися іони починається конденсація пара, в результаті чого слід частинки стає видно. Камеру поміщають в магнітне поле, яке викривляє траєкторії заряджених частинок. За кривизни треку можна визначити масу частинки.

34.4. Способи захисту від іонізуючого випромінювання

Захист від негативних наслідків випромінювання і деякі способи зменшення дози опромінення вказані нижче. Розрізняють три види захисту: захист часом, відстанню і матеріалом.

Захист часом і відстанню

Для точкового джерела експозиційна доза визначається співвідношенням

з якого видно, що вона прямо пропорційна часу і обернено пропорційна квадрату відстані до джерела.

Звідси випливає природний висновок: для зменшення вражаючої радіаційного впливу необхідно перебувати якнайдалі від джерела випромінювання і, по можливості, менший час.

захист матеріалом

Якщо відстань до джерела радіації і час опромінення неможливо витримати в безпечних межах, то необхідно забезпечити захист організму матеріалом. Цей спосіб захисту грунтується на тому, що різні речовини по-різному поглинають потрапляють на них всілякі іонізуючі випромінювання. Залежно від виду випромінювання застосовують захисні екрани з різних матеріалів:

альфа-частинки- папір, шар повітря товщиною кілька сантиметрів;

бета-частинки- скло товщиною кілька сантиметрів, пластини з алюмінію;

рентгенівське і гамма-випромінювання- бетон товщиною 1,5-2 м, свинець (ці випромінювання послаблюються в речовині за експоненціальним законом; потрібна велика товщина екрануючого шару; в рентгенівських кабінетах часто використовують гумовий просвинцьованої фартух);

потік нейтронів- сповільнюється в водородсодеожащіх речовинах, наприклад воді.

для індивідуального захисту органів дихання від радіоактивного пилу використовуються респіратори.

В екстрених ситуаціях, пов'язаних з ядерними катастрофами, можна скористатися захисними властивостями житлових будинків. Так, в підвалах дерев'яних будинків доза зовнішнього опромінення знижується в 2-7 разів, а в підвалах кам'яних будинків - в 40-100 разів (рис. 34.3).

При радіоактивне зараження місцевості контролюється активністьодного квадратного кілометра, А при зараженні продуктів харчування - їх питома активність.Як приклад можна вказати, що при зараженні місцевості більш ніж 40 Кі / км2 роблять повне відселення жителів. молоко з питомою активністю 2х10 11 Кі / л і більше не підлягає вживання.

Мал. 34.3.Екранують властивості кам'яного і дерев'яного будинків для зовнішнього γ-випромінювання

34.5. Основні поняття і формули

Продовження таблиці

закінчення таблиці

34.6. завдання

1. Вивчення променевих катаракт на кроликах показало, що під дією γ -випромінювання катаракти розвиваються при дозі D 1 \u003d 200 рад. Під дією швидких нейтронів (зали прискорювачів) катаракта виникає при дозі D 2 \u003d 20 радий. Визначити коефіцієнт якості для швидких нейтронів.

2. На скільки градусів збільшиться температура фантома (моделі людського тіла) масою 70 кг при дозі γ-випромінювання Х \u003d 600 Р? Питома теплоємність фантома з \u003d 4,2х10 3 Дж / кг. Вважати, що вся отримана енергія йде на нагрівання.

3. Людина вагою 60 кг протягом 6 ч піддавався дії γ- випромінювання, потужність якого становила 30 мкР / год. Вважаючи, що основним поглинає елементом є м'які тканини, знайти експозиційну, поглинену та еквівалентну дози опромінення. Знайти поглинену енергію випромінювання в одиницях СІ.

4. Відомо, що разова летальна експозиційна доза для людини дорівнює 400 Р(50% смертності). Висловити цю дозу в усіх інших одиницях.

5. У тканини масою m \u003d 10 г поглинається 10 9 α-частинок з енергією Е \u003d 5 МеВ. Знайти еквівалентну дозу. Коефіцієнт якості для α-частинок K \u003d 20.

6. Потужність експозиційної дози γ -випромінювання на відстані r \u003d 0,1 м від точкового джерела становить N r \u003d 3 Р / год. Визначити мінімальну відстань від джерела, на якому можна щодня працювати по 6 год без захисту. ПД \u003d 20 мЗв / рік. поглинання γ -випромінювання повітрям не враховувати.

Рішення(Потрібно акуратне вирівнювання одиниць виміру) За нормами радіаційної безпеки еквівалентна доза,отримана за рік роботи, становить Н \u003d 20 мЗв. Коефіцієнт якості для γ -випромінювання К \u003d 1.

додатки

Фундаментальні фізичні константи

Множники і приставки для утворення десяткових кратних і часткових одиниць та їх позначення

Людський організм поглинає енергію іонізуючих випромінювань, причому від кількості поглиненої енергії залежить ступінь променевих поразок. Для характеристики поглиненої енергії іонізуючого випромінювання одиницею маси речовини використовується поняття поглинена доза.

поглинена доза - це кількість енергії іонізуючого випромінювання, поглиненої опромінюваним тілом (тканинами організму) і розрахованої на одиницю маси цієї речовини. Одиниця поглиненої дози в Міжнародній системі одиниць (СІ) - грей (Гр).

1 Гр \u003d 1 Дж / кг

Для оцінки ще використовують і позасистемна одиницю - Радий. Радий - утворено від англійського «radiationabsorbeddoze» - поглинена доза випромінювання. Це таке випромінювання, при якому кожен кілограм маси речовини (скажімо, людського тіла) поглинає 0.01 Дж енергії (або 1 г маси поглинає 100 ерг).

1 Радий \u003d 0.01 Дж / кг 1 Гр \u003d 100 Рад

експозиційна доза

Для оцінки радіаційної обстановки на місцевості, в робочому або житловому приміщеннях, зумовленої впливом рентгенівського або гамма-випромінювання, використовують експозиційну дозу опромінення. В системі СІ одиниця експозиційної дози - кулон на кілограм (1 Кл / кг).

На практиці частіше використовують позасистемна одиницю - рентген (Р). 1 рентген - доза рентгенівських (або гамма) променів, при якій в 1 см 3 повітря утворюється 2.08 x 10 9 пар іонів (або в 1 г повітря - 1.61 x 10 12 пар іонів).

1 Р \u003d 2.58 х 10 -3 Кл / кг

Поглиненої дози 1 Радий відповідає експозиційна доза, яка дорівнює 1 рентгену: 1 Радий \u003d 1 Р

еквівалентна доза

При опроміненні живих організмів виникають різні біологічні ефекти, різниця між якими при одній і тій же поглиненої дози пояснюється різними видами опромінення.

Для порівняння біологічних ефектів, що викликаються будь-якими іонізуючими випромінюваннями, з ефектами від рентгенівського і гамма-випромінювання, вводиться поняття про еквівалентній дозі. В системі СІ одиниця еквівалентної дози - зіверт (Зв). 1 Зв \u003d 1 Дж / кг

Існує також позасистемна одиниця еквівалентної дози іонізуючого випромінювання - бер (біологічний еквівалент рентгена). 1 бер - доза будь-якого випромінювання, яка виробляє таку ж саму біологічну дію, як рентгенівське або гамма-випромінювання в 1 рентген.

1 бер \u003d 1 Р 1 Зв \u003d 100 бер

Коефіцієнт, що показує, у скільки разів оцінюваний вид випромінювання біологічно небезпечніше, ніж рентгенівське або гамма-випромінювання при однаковій поглиненої дози, називається коефіцієнтом якості випромінювання (К).

Для рентгенівського і гамма-випромінювання К \u003d 1.

1 Радий х К \u003d 1 бер 1 Гр х К \u003d 1 Зв

За інших рівних умов доза іонізуючого випромінювання тим більше, чим більше час опромінення, тобто доза накопичується з часом. Доза, віднесена до одиниці часу, називається потужністю дози. Якщо ми говоримо, що потужність експозиційної дози гамма-випромінювання становить 1 Р / год, то це означає, що за 1 годину опромінення людина отримає дозу, рівну 1 Р.

Активність радіоактивного джерела (Радіонукліда) - це фізична величина, що характеризує число радіоактивних розпадів в одиницю часу. Чим більше радіоактивних перетворень відбувається в одиницю часу, тим вище активність. В системі Сі за одиницю активності прийнято бекерель (Бк) - кількість радіоактивної речовини, в якому відбувається 1 розпад за 1 секунду.

Інша одиниця радіоактивності - кюрі. 1 кюрі - активність такої кількості радіоактивної речовини, в якому відбувається 3.7 x 10 10 розпадів в секунду.

Час, протягом якого число атомів даного радіоактивної речовини зменшується внаслідок розпаду вдвічі називається періодом напіврозпаду . Період напіврозпаду може змінюватися в широких межах: для урану-238 (U) - 4.47 млр. років; урану-234 - 245 тис. років; радію-226 (Ra) - 1600 років; йоду-131 (J) - 8 діб; радону-222 (Rn) - 3.823 діб; полонію-214 (Po) - 0.000164 сек.

Серед довгоживучих ізотопів, викинутих в атмосферу в результаті вибуху АЕС у Чорнобилі, є стронцій-90 і цезій-137, періоди напіврозпаду яких близько 30 років, тому зона Чорнобильської АЕС ще багато десятиліть буде непридатна для нормального життя.

КОЕФІЦІЄНТИ РАДІАЦІЙНОГО РИЗИКУ

Слід враховувати, що одні частини тіла (органи, тканини) більш чутливі, ніж інші: наприклад, при однаковій еквівалентній дозі опромінення виникнення раку у легенях більш ймовірно, ніж у щитовидній залозі, а опромінення статевих залоз особливо небезпечно через ризик генетичних ушкоджень. Тому дози опромінення органів і тканин слід враховувати з різними коефіцієнтами. Беручи коефіцієнт радіаційного ризику всього організму в цілому за одиницю, для різних тканин і органів коефіцієнти радіаційного ризику будуть наступні:

0.03 - кісткова тканина; 0.03 - щитовидна залоза;

0.12 - легкі; 0.12 - червоний кістковий мозок;

0.15 - молочна залоза; 0.25 - яєчники або насінники;

0.30 - інші тканини.

Дози ОПРОМІНЕННЯ, ОТРИМУВАНІ ЛЮДИНОЮ

З іонізуючим випромінюванням населення в будь-якому регіоні земної кулі зустрічається щодня. Це, перш за все, так званий радіаційний фон Землі, який складається з:

космічного випромінювання, що приходить на Землю з Космосу;

випромінювання від знаходяться в грунті, будівельних матеріалах, повітрі та воді природних радіоактивних елементів;

випромінювання від природних радіоактивних речовин, які з їжею і водою потрапляють всередину організму, фіксуються тканинами і зберігаються в тілі людини.

Крім того, людина зустрічається з штучними джерелами випромінювання, включаючи радіоактивні нукліди (радіонукліди), створені руками людини і приємним в народному господарстві.

В середньому доза опромінення від усіх природних джерел іонізуючого випромінювання становить на рік близько 200 мР, хоча це значення може коливатися в різних регіонах земної кулі від 50 до 1000 мР / год і більше (табл. 1). Доза, одержувана в результаті космічного випромінювання, залежить від висоти над рівнем моря; чим вище над рівнем моря, тим більше річна доза.

Таблиця 1

Природні джерела іонізуючого випромінювання

джерела	Середня річна доза		Внесок у дозу,
1. Космос (випромінювання на рівні моря)
2. Земля (ґрунт, вода, будматеріали)
3. Радіоактивні елементи, що містяться в тканинах тіла людини (К, С та ін.)
4. Інші джерела
Середня сумарна річна доза

Штучні джерела іонізуючого випромінювання (табл. 2):

медичне діагностичне і лікувальне устаткування;

люди, які постійно користуються літаком, додатково піддаються незначному опроміненню;

атомні і теплові електростанції (доза залежить від близькості їх розташування);

фосфорні добрива;

Будівлі з каменю, цегли, бетону, дерева - погана вентиляція в приміщеннях може збільшити дозу опромінення, обумовлену вдиханням радіоактивного газу радону, який утворюється при природному розпаді радію, що міститься в багатьох гірських породах і будматеріалах, а також в грунті. Радон - невидимий, не має смаку і запаху важкий газ (Важчий за повітря в 7.5 раз) і ін.

Кожен житель Землі протягом всього свого життя щорічно опромінюється дозою в середньому 250-400 мбер.

Вважається, що безпечно для людини набрати за все своє життя дозу опромінення, що не перевищує 35 бер. При дозах опромінення в 10 бер не спостерігається яких-небудь змін в органах і тканинах організму людини. При одноразовому опроміненні дозою 25-75 бер клінічно визначаються короткочасні незначні зміни складу крові.

При опроміненні дозою понад 100 бер спостерігається розвиток променевої хвороби:

100 - 200 бер - I ступінь (легка);

200 - 400 бер - II ступеня (середня);

400 - 600 бер - IIIстепень (важка);

більше 600 бер - IVстепени (вкрай важка).

5. Дози випромінювання і одиниці вимірювання

Дія іонізуючих випромінювань являє собою складний процес. Ефект опромінення залежить від величини поглиненої дози, її потужності, виду випромінювання, обсягу опромінення тканин і органів. Для його кількісної оцінки введені спеціальні одиниці, які діляться на позасистемні і одиниці в системі СІ. Зараз використовуються переважно одиниці системи СІ. Нижче в таблиці 10 подано перелік одиниць вимірювання радіологічних величин і проведено порівняння одиниць системи СІ і позасистемних одиниць.

Таблиця 10.

Основні радіологічні величини і одиниці
величина	Найменування і позначення одиниці виміру		співвідношення між одиницями
	позасистемні	Сі
Активність нуклида, А	Кюрі (Кі, Ci)	Беккерель (Бк, Bq)	1 Ки \u003d 3.7 × 10 10 Бк 1 Бк \u003d 1 роз / с 1 Бк \u003d 2.7 · 10 -11 Кі
Експозіціон- ная доза, X	Рентген (Р, R)	Кулон / кг (Кл / кг, C / kg)	1 Р \u003d 2.58 · 10 -4 Кл / кг 1 Кл / кг \u003d 3.88 · 10 3 Р
Поглинена доза, D	Радий (радий, rad)	Грей (Гр, Gy)	1 рад-10 -2 Гр 1 Гр \u003d 1 Дж / кг
Еквівалентна доза, Н	Бер (бер, rem)	Зіверт (Зв, Sv)	1 бер \u003d 10 -2 Зв 1 Зв \u003d 100 бер
Інтегральна доза випромінювання	Радий-грам (радий · г, rad · g)	Грей- кг (Гр · кг, Gy · kg)	1 рад · г \u003d 10 -5 Гр · кг 1 Гр · кг \u003d 105 радий · г

Для опису впливу іонізуючих випромінювань на речовина використовуються такі поняття і одиниці вимірювання:
Активність радіонукліда в джерелі (А). Активність дорівнює відношенню числа мимовільних ядерних перетворень в цьому джерелі за малий інтервал часу (dN) до величини цього інтервалу (dt):

Одиниця активності в системі СІ - Беккерель (Бк).
Позасистемна одиниця - Кюрі (Кі).

Число радіоактивних ядер N (t) даного ізотопу зменшується з часом за законом:

N (t) \u003d N 0 exp (-tln2 / T 1/2) \u003d N 0 exp (-0.693t / T 1/2)

де N 0 - число радіоактивних ядер в момент часу t \u003d 0, Т 1/2-період напіврозпаду - час, протягом якого розпадається половина радіоактивних ядер.
Масу m радіонукліда активністю А можна розрахувати за формулою:

m \u003d 2.4 · 10 -24 × M × T 1/2 × A,

де М - масове число радіонукліда, А - активність в Беккерелях, T 1/2 - період напіврозпаду в секундах. Маса виходить в грамах.
Експозиційна доза (X). В якості кількісної міри рентгенівського і -випромінювання прийнято використовувати у позасистемних одиницях експозиційну дозу, яка визначається зарядом вторинних частинок (dQ), що утворюються в масі речовини (dm) при повному гальмуванні всіх заряджених частинок:

Одиниця експозиційної дози - Рентген (Р). Рентген - це експозиційна доза рентгенівського і
-випромінювання, що створює в 1куб.см повітря при температурі Про ° С і тиску 760 мм рт.ст. сумарний заряд іонів одного знака в одну електростатичну одиницю кількості електрики. Експозиційної дози 1 Р
відповідає 2.08 · 10 9 пар іонів (2.08 · 10 9 \u003d 1 / (4.8 · 10 -10)). Якщо прийняти середню енергію освіти 1 пари іонів в повітрі рівній 33.85 еВ, то при експозиційній дозі 1 Р одному кубічному сантиметрі повітря передається енергія, рівна:
(2.08 · 10 9) · 33.85 · (1.6 · 10 -12) \u003d 0.113 ерг,
а одному граму повітря:
0.113 / пов \u003d 0.113 / 0.001293 \u003d 87.3 ерг.
Поглинання енергії іонізуючого випромінювання є первинним процесом, що дає початок послідовності фізико-хімічних перетворень в опроміненої тканини, що приводить до спостережуваного радіаційного ефекту. Тому природно зіставити спостережуваний ефект з кількістю поглиненої енергії або поглиненої дози.
Поглинена доза (D) - основна дозиметрична величина. Вона дорівнює відношенню середньої енергії dE, переданою іонізуючим випромінюванням речовині в елементарному об'ємі, до маси dm речовини в цьому об'ємі:

Одиниця поглиненої дози - Грей (Гр). Позасистемна одиниця Радий визначалася як поглинена доза будь-якого іонізуючого випромінювання, що дорівнює 100 ерг на 1 грам опроміненого речовини.
Еквівалентна доза (Н). Для оцінки можливого збитку здоров'ю людини в умовах хронічного опромінення в області радіаційної безпеки введено поняття еквівалентної дози Н, що дорівнює добутку поглиненої дози D r, створеної опроміненням - r і усередненої по аналізованому органу або по всьому організму, на ваговій множник wr (званий ще - коефіцієнт якості випромінювання)
(Таблиця 11).

Одиницею вимірювання еквівалентної дози є Джоуль на кілограм. Вона має спеціальне найменування Зиверт (Зв).

Таблиця 11.

Вагові множники випромінювання
Вид випромінювання і діапазон енергій	ваговій множник
Фотони всіх енергій
Електрони і мюони всіх енергій
Нейтрони з енергією< 10 КэВ
Нейтрони від 10 до 100 кеВ
Нейтрони від 100 кеВ до 2 МеВ
Нейтрони від 2 МеВ до 20 МеВ
Нейтрони\u003e 20 МеВ
Протони з енергій\u003e 2 МеВ (крім протонів віддачі)
альфа-частинки, осколки ділення та інші важкі ядра

Вплив опромінення носить нерівномірний характер. Для оцінки збитку здоров'ю людини за рахунок різного характеру впливу опромінення на різні органи (в умовах рівномірного опромінення всього тіла) введено поняття ефективної еквівалентної дози Е еф застосовується при оцінці можливих стохастичних ефектів - злоякісних новоутворень.
ефективна доза дорівнює сумі зважених еквівалентних доз у всіх органах і тканинах:

де w t - тканинний ваговій множник (таблиця 12), а H t -еквівалентная доза, поглинена в
тканини - t. Одиниця ефективної еквівалентної дози - Зиверт.

Таблиця 12.

Значення тканинних вагових множників w t для різних органів і тканин.
Тканина або орган	w t	Тканина або орган	w t
статеві залози	0.20	печінка	0.05
Червоний кістковий мозок	0.12	стравохід	0.05
Товста кишка	0.12	Щитовидна залоза	0.05
легкі	0.12	шкіра	0.01
шлунок	0.12	поверхня кісток	0.01
Сечовий міхур	0.05	решта органи	0.05
Молочні залози	0.05

Колективна ефективна еквівалентна доза. Для оцінки збитку здоров'ю персоналу і населення від стохастичних ефектів, викликаних дією іонізуючих випромінювань, використовують колективну ефективну еквівалентну дозу S, яка визначається як:

де N (E) - число осіб, які отримали індивідуальну ефективну еквівалентну дозу Е. Одиницею S є людино-Зіверт
(Чол-Зв).
радіонукліди - радіоактивні атоми з даним масовим числом і атомним номером, а для ізомерних атомів - і з даними певним енергетичним станом атомного ядра. радіонукліди
(І нерадіоактивні нукліди) елемента інакше називають його ізотопами.
Крім названих вище величин для порівняння ступеня радіаційного пошкодження речовини при впливі на нього різних іонізуючих частинок з різною енергією використовується також величина лінійної передачі енергії (ЛПЕ), що визначається співвідношенням:

де - середня енергія, локально передана середовищі іонізуючої часткою внаслідок зіткнень на елементарному шляху dl.
Порогова енергія зазвичай відноситься до енергії електрона. Якщо в акті зіткнення первинна зарядженачастка утворює електрон з енергією більше, то ця енергія не включається в значення dE, і -Електронна з енергією більше розглядаються як самостійні первинні частинки.
Вибір порогової енергії є довільним і залежить від конкретних умов.
З визначення випливає, що лінійна передача енергії є деяким аналогом гальмівної здатності речовини. Однак між цими величинами є відмінність. Полягає воно в наступному:
1. ЛПЕ не включає енергію, перетворену в фотони, тобто радіаційні втрати.
2. При заданому порозі ЛПЕ не включає в себе кінетичну енергію частинок, що перевищує.
Величини ЛПЕ і гальмівної здатності збігаються, якщо можна знехтувати втратами на гальмівне випромінювання і

Таблиця 13.

Середні значення величини лінійної передачі енергії L і пробігу R для електронів, протонів і альфа-частинок в м'якої тканини.
Частинка	Е, МеВ	L, кеВ / мкм	R, мкм
електрон	0.01	2.3	1
	0.1	0.42	180
	1.0	0.25	5000
Протон	0.1	90	3
	2.0	16	80
	5.0	8	350
	100.0	4	1400
α -частинка	0.1	260	1
	5.0	95	35

За величиною лінійної передачі енергії можна визначити ваговій множник даного виду випромінювання (таблиця 14)

Таблиця 14.

Залежність вагового множника випромінювання w r від лінійної передачі енергії іонізуючого випромінювання L для води.
L, кеВ / мкм	< 3/5	7	23	53	> 175
w r	1	2	5	10	20

Гранично допустимі дози опромінення

По відношенню до опромінення населення ділиться на 3 категорії.
Категорія А осіб, що опромінюються або персонал ( професійні працівники) - особи, які постійно або тимчасово працюють безпосередньо з джерелами іонізуючих випромінювань.
Категорія Б осіб, що опромінюються або обмежена частина населення - особи, які не працюють безпосередньо з джерелами іонізуючого випромінювання, але за умовами проживання або розміщення робочих місць можуть піддаватися впливу іонізуючих випромінювань.
Категорія В осіб, що опромінюються або населення - населення країни, республіки, краю або області.
Для категорії А вводяться гранично допустимі дози -найбільший значення індивідуальної еквівалентної дози за календарний рік, при якій рівномірне опромінення протягом 50 років не може викликати в стані здоров'я несприятливих змін, які виявляються сучасними методами. Для категорії Б визначається межа дози.
Встановлюється три групи критичних органів:
1 група - все тіло, гонади і червоний кістковий мозок.
2 група - м'язи, щитовидна залоза, жирова тканина, печінка, нирки, селезінка, шлунково-кишковий тракт, легені, кришталики очей та інші органи, за винятком тих, які відносяться до 1 і 3 груп.
3 група - шкірний покрив, кісткова тканина, кисті, передпліччя, гомілки і стопи.
Дозові межі опромінення для різних категорій осіб дано в таблиці 15.

Таблиця 15.

Дозові межі зовнішнього і внутрішнього опромінення (бер / рік).
	Групи критичних органів
	1	2	3
Категорія А, гранично допустима доза (ПДР)	5	15	30
Категорія Б, межа дози (ПД)	0.5	1.5	3

Крім основних дозових меж для оцінки впливу випромінювання використовують похідні стандарти й рівні. Нормативи розраховані з урахуванням неперевищення дозових меж ПДР (гранично допустима доза) і ПД (межа дози). Розрахунок допустимого вмісту радіонукліда в організмі проводять з урахуванням його радіотоксичності і неперевищення ПДР в критичному органі. Контрольні рівні повинні забезпечувати такі низькі рівні опромінення, які можна досягти при дотриманні основних дозових меж.
Для категорії А (персоналу) встановлені:
- гранично допустимий річне надходження ПДП радіонукліда через органи дихання;
- допустимий вміст радіонукліду в критичному органі ДС А;
- допустима потужність дози випромінювання ДМД А;
- допустима щільність потоку частинок ДПП А;
- допустима об'ємна активність (концентрація) радіонукліда в повітрі робочої зони ДК А;
- допустиме забруднення шкірних покривів, спецодягу та робочих поверхонь ДЗ А.
Для категорії Б (обмеженої частини населення) встановлено:
- межа річного надходження ПГП радіонукліда через органи дихання або травлення;
- допустима об'ємна активність (концентрація) радіонукліда ДК Б в атмосферному повітрі та воді;
- допустима потужність дози ДМД Б;
- допустима щільність потоку частинок ДПП Б;
- допустиме забруднення шкірних покривів, одягу і поверхонь ДЗ Б.
Чисельні значення допустимих рівнів в повному обсязі містяться в
"Норми радіаційної безпеки".

Після того як були відкриті бета-випромінювання і альфа-випромінювання, стало питання оцінки цих випромінювань при взаємодії з навколишнім середовищем. Експозиційна доза для оцінки цих випромінювань виявилася непридатною, так як ступінь іонізації від них виявилася різною в повітрі, в різних опромінюються речовинах і в біологічній тканині. Тому була запропонована універсальна характеристика - поглинена доза.

Поглинена доза - кількість енергії Е, передане речовини іонізуючим випромінюванням будь-якого виду в перерахунку на одиницю маси т будь-якої речовини.

Іншими словами, поглинена доза (D) - це відношення енергії dE, яка передана речовині іонізуючим випромінюванням в елементарному обсязі, до маси dm речовини в цьому об'ємі:

1 Дж / кг \u003d 1 Грей. Позасистемна одиниця - рад (радіаційна адсорбційна доза). 1 Грей \u003d 100 рад.

Можна використовувати і дробові значення одиниць, наприклад: мГр, мкГр, мрад, мкрад і ін.

Примітка. Згідно РД50-454-84 використання одиниці «радий» не рекомендується. Однак на практиці є прилади з цієї градуировкой, і вона поки використовується.

В визначення поглиненої дози входить поняття середньої енергії, переданої речовині в певному обсязі. Справа в тому, що через статистичної природи випромінювання і непевного характеру взаємодії випромінювання з речовиною величина переданої енергії речовини схильна флуктуацій. Передбачити її значення при вимірюванні заздалегідь не можна. Однак, провівши ряд вимірювань, можна отримати середнє значення цієї величини.

Доза в органі або біологічної тканини (D, r) - середня поглинена доза в певному органі чи тканині людського тіла:

D T \u003d E T / m T, (4)

де Е Т - повна енергія, передана іонізуючим випромінюванням тканини або органу; m Т - маса органу або тканини.

При опроміненні речовини поглинена доза наростає. Швидкість наростання дози характеризується потужністю поглиненої дози.

Потужність поглиненої дози іонізуючого випромінювання - відношення приросту поглиненої дози випромінювання dD за інтервал часу dt до цього інтервалу:

Одиниці виміру потужності дози: рад / с, Гр / с, рад / год, Гр / год і т.д.

Потужність поглиненої дози в ряді випадків можна розглядати як величину постійну на якомусь невеликому інтервалі часу або змінюється по експоненті на значному інтервалі часу, тоді можна вважати, що:

Керма - абревіатура англійських слів в перекладі означає «кінетична енергія ослаблення в матеріалі». Характеристика використовується для оцінки впливу на середовище побічно іонізуючих випромінювань. Керма - це відношення суми початкових кінетичних енергій dE k всіх заряджених частинок, утворених побічно ІІ в елементарному обсязі, до маси dm речовини в цьому об'ємі:

К \u003d dE k / dm. (7)

Одиниці виміру в СІ і позасистемна: Грей і радий відповідно.

Керма введена для більш повного врахування поля випромінювання, зокрема щільності потоку енергії, і використовується для оцінки впливу на середовище побічно іонізуючих випромінювань.

еквівалентна доза

Встановлено, що при опроміненні однієї і тієї ж енергією біологічної тканини людини (тобто при отриманні однієї і тієї ж дози), але різними видами променів наслідки для здоров'я будуть різними. Наприклад, при опроміненні альфа-частками тіла людини ймовірність захворіти на рак значно вище, ніж при опроміненні бета-частинками або гамма-променями. Тому для біологічної тканини була введена характеристика - еквівалентна доза.

Еквівалентна доза (HTR) - поглинена доза в органі чи тканині, помножена на відповідний коефіцієнт якості випромінювання WR даного виду випромінювання R.

Введена для оцінки наслідків опромінення біологічної тканини малими дозами (дозами, що не перевищують 5 гранично допустимих доз при опроміненні всього тіла людини), тобто 250 мЗв / рік. Її не можна використовувати для оцінки наслідків опромінення великими дозами.

Доза еквівалентна дорівнює:

H T. R \u003d D T. R · W R, (8)

де D T. R - поглинена доза біологічною тканиною випромінюванням R; W R - ваговій множник (коефіцієнт якості) випромінювання R (альфа-частинок, бета-частинок, гамма-квантів і ін.), Що враховує відносну ефективність різних видів випромінювання в індукуванні біологічних ефектів (табл. 1). Цей множник залежить від багатьох факторів, зокрема від величини лінійної передачі енергії, від щільності іонізації уздовж треку іонізуючої частинки і т.д.

Формула (8) справедлива для оцінки доз як зовнішнього, так і внутрішнього опромінення тільки окремих органів і тканин або рівномірного опромінення всього тіла людини.

При впливі різних видів випромінювань одночасно з різними ваговими коефіцієнтами еквівалентна доза визначається як сума еквівалентних доз для всіх цих видів випромінювання R:

H T \u003d Σ H T. R (9)

Встановлено, що при одній і тій же поглиненої дози біологічний ефект залежить від виду іонізуючого випромінювання здійснюватиме та щільності потоку випромінювання.

Примітка. При використанні формули (8) середній коефіцієнт якості приймають в даному обсязі біологічної тканини стандартного складу: 10,1% водню, 11,1% вуглецю, 2,6% азоту, 76,2% кисню.

Одиниця виміру еквівалентної дози в системі СІ - Зіверт (Зв).

Зіверт - одиниця еквівалентної дози випромінювання будь-якої природи в біологічної тканини, яка створює такий же біологічний ефект, як і поглинена доза в 1 Гр зразкового рентгенівського випромінювання з енергією фотонів 200 кеВ, Використовуються також дробові одиниці - мкЗв, мЗв. Існує і позасистемна одиниця - бер (біологічний еквівалент рада), яка поступово вилучається з користування.

1 Зв \u003d 100 бер.

Використовуються також дробові одиниці - мбер, мкбер.

Таблиця 1. Коефіцієнти якості випромінювання

Вид випромінювання і діапазон енергії	Коефіцієнти якості WE
Фотони всіх енергій
Електрони всіх енергій
Нейтрони з енергією:
від 10 кеВ до 100 кеВ
\u003e 100 кеВ до 2 мЗв
\u003e 2 МеВ до 20 МеВ
Протони з енергією більше 2 МеВ, крім протонів віддачі
Альфа-частинки, осколки поділу, важкі ядра
Примітка. Всі значення відносяться до випромінювання, що падає на тіло, а в разі внутрішнього опромінення - що випускається при ядерному перетворенні.

Примітка. Коефіцієнт W R враховує залежність несприятливих біологічних результатів опромінення в малих дозах від повної лінійної передачі енергії (ЛПЕ) випромінювання. У таблиці 2 наведена залежність вагового коефіцієнта якості W R від ЛПЕ.

Таблиця 2. Залежність коефіцієнта якості WR від ЛПЕ

Потужність еквівалентної дози - відношення приросту еквівалентної дози dH за час dt до цього інтервалу часу:

Одиниці виміру потужності еквівалентної дози мЗв / с, мкЗв / с, бер / с, мбер / с і т.д.

Багато стикаються з труднощами при визначенні одиниць вимірювання радіоактивного випромінювання і практичному використанні отриманих значень. Складнощі виникають не тільки через їх великої різноманітності: Беккерелів, кюрі, зіверт, рентгени, ради, кулони, реми і ін., Але і через те, що не всі використовувані величини пов'язані між собою кратними співвідношеннями і при необхідності можуть переводитися з одних в інші.

Як розібратися?

Все досить просто, якщо окремо розглядати одиниці, пов'язані з радіоактивністю, як фізичним явищем, і величини, що вимірюють вплив цього явища (іонізуючого випромінювання) на живі організми і навколишнє середовище. А також, якщо не забувати про позасистемних одиницях і одиницях радіоактивності, що діють в системі СІ (Міжнародна система одиниць), яка була введена в 1982 році і є обов'язковим до використання у всіх установах і підприємствах.

Позасистемна (стара) одиниця виміру радіоактивності

Кюрі (Кі) - перша одиниця радіоактивності, що вимірює активність 1 грама чистого радію. Запроваджена з 1910 року і названа на честь французьких вчених К. і М. Кюрі, вона не пов'язана з будь-якою системою вимірювання і в останнім часом втратила своє практичне значення. У Росії ж кюрі, незважаючи на діючу систему СІ, дозволена до використання в області ядерної фізики і медицини без терміну обмеження.

Одиниці радіоактивності в системі СІ

В СІ використовується інша величина - бекерель (Бк), яка визначає розпад одного ядра в секунду. Беккерель більш зручний в розрахунках, ніж кюрі, оскільки має не такі великі значення і дозволяє без складних математичних дій по радіоактивності радіонукліда визначити його кількість. Вирахувавши кількість розпадів 1 г радону, легко встановити співвідношення між Кі і Бк: 1 Ки \u003d 3,7 * 1010 Бк, а також визначити активність будь-якого іншого радіоактивного елемента.

Вимірювання іонізуючих випромінювань

З відкриттям радію було виявлено, що випромінювання радіоактивних речовин впливає на живі організми і викликає біологічні ефекти, подібні з дією рентгенівського опромінення. З'явилося таке поняття, як доза іонізуючого випромінювання - величина, яка дозволяє оцінювати вплив радіаційного опромінення на організми та речовини. Залежно від особливостей опромінення, виділяють еквівалентну, поглинену та експозиційну дози:

1. Експозиційна доза - показник іонізації повітря, що виникає під дією гамма-і рентгенівських променів, визначається кількістю утворилися іонів радіонуклідів в 1 куб. см. повітря при нормальних умовах. В системі СІ вона вимірюється в кулонах (Кл), але існує і позасистемна одиниця - рентген (Р). Один рентген - велика величина, тому зручніше на практиці використовувати її мільйонну (мкР) або тисячну (мР) частки. Між одиницями експозиційної дози встановлено наступне співвідношення: 1 Р \u003d 2, 58.10-4 Кл / кг.
2. Поглинена доза - енергія альфа-, бета- і гамма-випромінювання, поглинена і накопичена одиницею маси речовини. У міжнародній системі СІ для неї введена наступна одиниця виміру - грей (Гр), хоча до цих пір в окремих областях, наприклад в радіаційної гігієни і в радіобіології широко використовується позасистемна одиниця - рад (Р). Між цими величинами є таке відповідність: 1 Радий \u003d 10-2 Гр.
3. Еквівалентна доза - поглинена доза іонізуючого випромінювання, що враховує ступінь його впливу на живу тканину. Оскільки однакові дози альфа-, бета- або гамма-випромінювання надають різний біологічний збиток, введений так званий КК коефіцієнт якості. Для отримання еквівалентної дози необхідно поглинену дозу, отриману від певного виду випромінювання, помножити на цей коефіцієнт. Вимірюється еквівалентна доза в берах (Бер) і зіверт (Зв), обидві ці одиниці взаємозамінні, переводяться з однієї в іншу таким чином: 1 Зв \u003d 100 Бер (Рем).

В системі СІ використовується зіверт - еквівалентна доза конкретного іонізуючого випромінювання, поглинена одним кілограмом біологічної тканини. Для перерахунку греїв в зіверт слід врахувати коефіцієнт відносної біологічної активності (ОБЕ), який дорівнює:

• для альфа-частинок - 10-20;
• для гамма-і бета-випромінювання - 1;
• для протонів - 5-10;
• для нейтронів зі швидкістю до 10 кеВ - 3-5;
• для нейтронів зі швидкістю більше 10 кеВ: 10-20;
• для важких ядер - 20.

Бер (біологічний еквівалент рентгена) або рем (в англійською rem - Roentgen Equivalent of Man) - позасистемна одиниця еквівалентної дози. Оскільки альфа-випромінювання завдає більшої шкоди, то для отримання результату в ремах, необхідно виміряну радіоактивність в радах помножити на коефіцієнт, що дорівнює двадцяти. При визначенні гамма-або бета-випромінювання переклад величин не потрібно, оскільки реми і раді рівні один одному.