 |
Единицы активности и дозы ионизирующих излучений
|
|
|
|
БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
ЛЕКЦИЯ 3
Ионизирующие излучения. Характеристики, источники, единицы измерения
Введение
Ионизирующие излучения (ИИ) – это излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию зарядов противоположных знаков. Другими словами, ИИ при взаимодействии с веществом способны создавать в нем заряженные атомы и молекулы – ионы. Возникает ионизирующее излучение при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, а также при взаимодействии заряженных частиц, нейтронов, фотонного (электромагнитного) излучения с веществом.
Практически в первые же годы после открытия ионизирующего излучения исследователи столкнулись с его отрицательными эффектами. В 1895 г. помощник Рентгена В. Груббе получил радиационный ожог рук при работе с рентгеновскими лучами, а А. Беккерель, открывший радиоактивность, положил однажды в карман пробирку с радием и получил сильный ожог кожи. Мария Кюри, с именем которой мы связываем начало научных исследований радиоактивности и становление ядерной физики, как считается умерла от одного из злокачественных заболеваний крови, явившегося последствием длительного облучения.
Крупнейшие специалисты, обеспокоенные вредным воздействием ионизирующих излучений, в конце 20-х годов создали Международную Комиссию по радиационной защите (МКРЗ), которая разрабатывала и продолжает разрабатывать правило работы с радиоактивными веществами. На основе рекомендаций МКРЗ национальные эксперты разрабатывают национальные нормативы в своих странах.
В начале 50-х годов, когда мир уже знал о последствиях атомных бомбардировок японских городов, когда ядерные державы проводили испытания ядерного оружия в атмосфере мировая общественность стала проявлять беспокойство по поводу воздействия ионизирующих излучений на человека и окружающую среду. Тогда, в 1955 г. Генеральная Ассамблея ООН основала Научный Комитет по действию атомной радиации (НКДАР) (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, UNSCEAR). Он занимается изучением действия радиации, независимо от ее источника на окружающую среду и население. Он не устанавливает норм радиационной безопасности, не дает рекомендаций, не изыскивает средств защиты, а служит источником сведений, на основе которых МКРЗ и национальные комиссии вырабатывают соответствующие нормы и рекомендации (в России – Санкт Петербургский МИИ радиационной гигиены).
|
|
|
Краткая характеристика различных видов ИИ
А) Корпускулярное излучение.
1) Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия, испускаемых веществом при радиоактивном распаде или при ядерных реакциях. Энергия частиц – несколько МэВ. Пробег -частиц в воздухе достигает 8-9 см, а в живой ткани – несколько десятков микрометров.
Обладая сравнительно большой массой -частицы быстро теряют свою энергию при взаимодействии с веществом, что обусловливает их низкую проникающую способность и высокую ионизирующую способность (на 1 см пути в воздухе – несколько десятков тыс. пар ионов).
2) Бета-излучение – поток электронов или позитронов, возникающих при радиоактивном распаде. Энергия – до нескольких МэВ. Максимальный пробег в воздухе – 1800 см, в живых тканях – 2,5 см. Ионизирующая способность -излучения на три порядка (до нескольких десятков пар ионов на 1 см) ниже чем у -частиц, а проникающая способность выше, т. к. при одинаковой с -частицами энергии они обладают значительно меньшей массой и зарядом.
3) Нейтронное излучение. Нейтроны преобразуют свою энергию в т. н. упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов.
|
|
|
При упругих взаимодействиях происходит обычная ионизация вещества.
При неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и -квантов (гамма-излучение).
Проникающая способность нейтронов существенно зависит от их энергии и состава атомов вещества, с которым они взаимодействуют.
Б) Электромагнитное излучение.
1) Рентгеновское излучение – возникает в среде, окружающей источ-ник -излучения, в рентгеновских трубках, ускорителях электронов, электронно-лучевых трубках и т. п. Оно представляет собой совокупность тормозного и характеристического излучения.
Тормозное излучение – фотонное излучение с непрерывным спектром, испускаемое при изменении кинетической энергии заряженных частиц.
Характеристическое излучение – это фотонное излучение с дискретным спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния атома.
Энергия фотонов рентгеновского излучения составляет 1 МэВ. Оно обладает малой ионизирующей способностью, но большой проникающей способностью.
2) Гамма-излучение – это электромагнитное (фотонное) излучение, испускаемое при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Его энергия находится в пределах 0,01 3 МэВ. Длины волн -излучения меньше, чем длины волн рентгеновского излучения. Поскольку с уменьшением длины волны проникающая способность излучения возрастает, -излучение обладает весьма высокой проникающей способностью. Ионизирующая способность его, соответственно, мала.
Единицы активности и дозы ионизирующих излучений
Активность (А) радиоактивного вещества – число спонтанных ядерных превращений (dN) в этом веществе за малый промежуток времени (dt):
.
1 Бк (беккерель) равен одному ядерному превращению в секунду. В литературе, изданной до 1996 года часто встречается прежняя (внесистемная) единица – Кюри (Ки): 1 Ки = 3,7 1010 Бк.
Экспозиционная доза (характеризует источник излучения по эффекту ионизации):
где dQ – полный заряд ионов одного знака, возникающий в воздухе в данной
точке пространства при полном торможении всех вторичных электронов, которые были образованы фотонами в малом объеме (dm) воздуха.
Экспозиционная доза на рабочем месте при работе с радиоактивными веществами:
|
|
|
где А – активность источника [мКи], К– гамма-постоянная изотопа [Р см2 / (ч мКи)] – из справочника, t – время облучения, r – расстояние от источника до рабочего места [см ].
При дозиметрическом контроле используется также мощность экспозиционной дозы 
[р×ч-1].
Поглощенная доза это фундаментальная дозиметрическая величина, определяемая по формуле:
.
Здесь dE – средняя энергия, переданная излучением веществу в некотором элементарном объеме, dm – масса вещества в этом объеме.
В системе СИ поглощенная доза измеряется в Дж×кг-1 и имеет специальное название грей (Гр). Ранее широко использовалась внесистемная единица «рад», поэтому следует помнить соотношение между этими единицами:
Величина поглощенной дозы зависит от свойств излучения и поглощающей среды. Поглощенная доза связана с экспозиционной дозой соотношением
Дпогл.= Дэксп.К1,
где К1– коэффициент, учитывающий вид облучаемого вещества (воздух, вода и т. п.), т. е. учитывающий отношение энергии, поглощаемой данным веществом, к электрическому заряду ионов, образованных в воздухе такой же массы. При экспозиционной дозе в 1 Р энергия -излучения, расходуемая на ионизацию 1 г воздуха равна 0,87 рад, т. е. для воздуха
В человеческом организме:
- для воды К1= 0,887 … 0,975 рад/Р,
- для мышц К1= 0,933 … 0,972 рад/Р,
- для костей К1= 1,03 … 1,74 рад/Р.
В целом для организма человека при облучении от -источника коэффициент 
В условиях электронного равновесия экспозиционной дозе 1 Р соответствует поглощенная доза 0,88 рад.
В дозиметрической практике часто сравнивают радиоактивные препараты по их -излучению. Если два препарата при тождественных условиях измерения создают одну и ту же мощность экспозиционной дозы, то говорят, что они имеют одинаковый -эквивалент.
Гамма-эквивалент mRa источника – условная масса точечного источника 226Ra, создающего на некотором расстоянии такую же мощность экспозиционной дозы как и данный источник. Единица – 1кг-экв Ra.
В связи с тем, что одинаковая доза различных видов излучения вызывает в живом организме различное биологическое действие, введено понятие эквивалентной дозы.
|
|
|
Поглощенная доза не учитывает того, что при одинаковой поглощенной энергии -излучение, например, гораздо сильнее воздействует на живую ткань, чем - или -излучение, так как его ионизирующая способность в несколько раз выше. Если принять во внимание этот факт, то дозу следует умножить на коэффициент, отражающий неодинаковую ионизирующую способность различных видов излучения.
Эквивалентная доза (Н) – величина, введенная для оценки радиационной опасности хронического облучения излучением произвольного состава
Н = Д Q [Зв] 1 Зв = 100 бэр.
Q – безразмерный взвешивающий коэффициент для данного вида излучения. Для рентгеновского и g-излучения Q=1, для альфа-, бета-частиц и нейтронов Q=20.
При расчете эквивалентной дозы для -активных нуклидов учитывается еще и коэффициент распределения дозы. КР, учитывающий влияние неоднородности распределения нуклидов в ткани и его канцерогенную эффективность по отношению к 226 Ra.
До 1996 года в СССР, а затем в в СНГ в качестве единицы измерения эквивалентной дозы использовался «бэр» – поглощенная доза любого вида излучения, которая вызывает равный биологический эффект с дозой в 1 рад рентгеновского излучения. Таким образом, бэр – “биологический эквивалент рада”. С 1996 года на территории России использование старых внесистемных единиц «рад», «бэр», а также «кюри» в литературе, официальных документах не допускается. В системе СИ единицей измерения для эквивалентной дозы является зиверт (Зв). Соотношение с прежней единицей то же, что и для поглощенной дозы: 1Зв = 100 бэр.
При определении эквивалентной дозы следует учитывать также, что одни части тела (органы; ткани) более чувствительны к облучению, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятнее, чем в щитовидной железе, мышечной ткани, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами. Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав их по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу (рисунок 2), отражающую суммарный эффект облучения для организма; она также измеряется в зивертах. Эффективная эквивалентная доза используется для оценки риска отдаленных последствий облучения.
Просуммировав индивидуальные эквивалентные дозы, мы получим коллективную эффективную эквивалентную дозу, которая измеряется в человеко-зивертах (чел-Зв).
|
|
|
Однако многие радионуклиды распадаются очень медленно (например, уран 238 - п/п = 4,47 млрд. лет, U234– 245000 лет, торий 230 – 8000 лет, Ra226– 1600 лет) и останутся радиоактивными и отдаленном будущем. Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получат многие поколения людей от какого-либо радиоактивного источника за все время его дальнейшего существования называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.
|
|
|
