Основные дозиметрические величины и единицы их измерения

Физико-технический институт КФУ им. В.И. Вернадского

 

Кафедра экспериментальной физики

 

ДОЗИМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.

 

 

Дозиметрия ионизирующих излучений

ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие естественных наук вызвало необходимость систематизации и углубления опыта по исследованию вредного влияния различного рода излучений (ультразвуковое, высокочастотное радиоизлучение, ультрафиолетовое, гравитационное и т. д.) на биологические и другие объекты.

В данной работе рассматривается влияние на человеческий организм ионизирующего излучения, возникающего при радиоактивном распаде и ядерных реакциях, и не обсуждаются положительные стороны воздействия, ионизирующего излучения, на живой организм, растения и органические соединения (генетические мутации, радоновые ванны, каталитическое воздействие излучений и т.д.).

Степень воздействия облучения на биологические объекты определяется величиной поглощенной объектом энергии. Вместе с тем биологическое воздействие зависит также от пространственного распределения энергии, передаваемой среде ионизирующей частицей (линейной плотности ионизации) [1]. В свою очередь линейная плотность ионизации зависит от типа излучения и энергии, приходящейся на одну ядерную частицу, так что равное количество поглощенной энергии разных видов излучения может вызвать различный биологический эффект. Это обстоятельство делает невозможным использование реакции биологического объекта на излучение как поглощенную дозу. В основу определения дозы взято физическое понимание этого процесса как поглощения объектом определенного количества энергии, а затем введена поправка с помощью некоторого коэффициента качества (КК), определяющего зависимость биологического эффекта данного вида излучения от ЛПЭ этого излучения. Поскольку любое рассмотрение первичного физического действия излучения должно основываться на представлении о поглощении энергии в среде, то основной мерой дозы является энергия, поглощенная единицей массы облученного вещества.

§ 1. ИОНИЗАЦИЯ И ПОГЛОЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ.

Энергия заряженной частицы рассеивается в среде главным образом в результате потерь на соударения, которые приводят к ионизации атомов и возбуждению молекул. Только при очень высоких энергиях частиц (для электронов 5 МэВ и выше) становятся заметными потери на излучение. В жидких средах (тело человека в первом приближении можно считать жидкой средой) энергия, которая теряется вторичными электронами в процессах соударения, делится приблизительно поровну между ионизацией и возбуждением. Однако эти две формы рассеяния энергии могут быть неравноценными с точки зрения химического и биологического воздействия. В настоящее время считается, что биологическое воздействие почти полностью обусловлено ионизацией.

Методы дозиметрии основаны на измерении ионизации газа (обычно воздуха) под воздействием ионизирующего излучения, поскольку ионизация является важнейшей величиной в медицинской радиологии. Воздух (смесь газов N₂-75%; O₂ -23%; С0₂-0,05%; Ar, Ne, Xe, Кг, Н₂0-1,85%) и мягкие ткани человеческого тела состоят главным образом из элементов с малыми атомными массами. Поэтому эффективные средние атомные массы воздуха, воды и человеческого тела мало отличаются, и поглощение ионизирующего излучения на единицу массы воздуха в весьма широких пределах значений энергии почти такое же, как в единице массы ткани и воды. Ионизацию воздуха можно достаточно точно и просто измерить с помощью ионизационной камеры. Существует большое количество разработок дозиметров на базе ионизационных камер для различных интенсивностей и видов излучения. Научные исследования показывают возможность имитации ткани человеческого тела (тканевый эквивалент) с помощью пластических сцинтилляторов. Оказалось возможным создать пластмассовые и жидкостные сцинтилляторы, имитирующие поглощающую способность тканей различных органов (почки, печень, желудок и т. д.).

§ 2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

· α- Излучение. Каждый α- активный изотоп испускает α- частицы, имеющие определенные энергии.

Энергия α- частиц, испускаемых различными изотопами, лежит в пределе от 4 до 11 МэВ.

В первом приближении пробег a- частиц в воздухе (см) связан с ее энергией (МэВ) степенной функцией вида

. (1)

Пробег α- частиц в воздухе составляет 3-11 см, в алюминии 0.08-0.4 мм. Сложенный пополам обычный лист писчей бумаги полностью поглощает α- частицы с энергией 5 МэВ (он эквивалентен 5 см воздуха). Внешний покров тела человека также полностью поглощает α- частицы, и внешнее облучение α- частицами не представляет опасности для внутренних органов человека. В воздухе при 15° C и давлении 760 мм рт. ст. α- частица образует 1.5×10⁴-2.5×10⁴ пар ионов (в зависимости от начальной энергии α- частицы). Плотность ионизации, создаваемая α- частицей, велика (примерно 3×10³ пар ионов на каждый сантиметр пути), поэтому α- частицы активных веществ весьма опасны при попадании их внутрь организма и вызывают долго незаживающие ожоги на поверхности тела при непосредственном контакте с мощными α- источниками.

· β- Излучение. Проникающая способность β- излучения значительно больше, чем α- частиц. Пробег β- частиц в воздухе зависит от их энергии и для частиц, обладающих энергией 3 МэВ, составляет около 3 м. Одежда и кожный покров человеческого тела поглощает примерно 75% β- частиц и только 20 - 25% проникает внутрь человеческого организма на глубину 2 мм. Наибольшую опасность представляет попадание β- частиц в глаза, так как внешняя поверхность глаза не имеет защитного покрова,

Удельная ионизация, создаваемая β- частицей, значительно меньше, чем α - частицей той же энергии. Это объясняется меньшим электрическим зарядом и большей скоростью движения β- частиц, уменьшающей вероятность взаимодействия с атомом. Средняя удельная ионизация, вызываемая β- излучением в воздухе, составляет 60 пар ионов на 1 см пути β- частицы.

Рассеяние для легких β- частиц играет большую роль, чем для тяжелых α- частиц. В результате значительного отклонения β- частиц под влиянием электрических полей, создаваемых атомами, электронами ядрами, фактический путь β- частиц (14 м) значительно превышает зону действия излучения (1-3 м).

Полное поглощение β- частиц с энергией 1 МэВ происходит в слое алюминия ~ 1.5 мм.

· γ- Излучение обладает наибольшей проникающей способностью по сравнению с α- и β- излучениями. В воздухе γ- излучение может преодолевать значительные расстояния, не испытывая существенного ослабления. Свинец, сталь, бетон, грунт, вода и другие плотные материалы при определенных толщинах вызывают существенное ослабление γ- излучения. Большая проникающая способность делает γ- излучение особенно опасным при внешних облучениях. Никакой защитный костюм не может ослабить γ- излучение.

Например, чтобы ослабить действие γ- излучения на человека только в 2 раза, потребовался бы свинцовый комбинезон весом 1274 Н. Линейная плотность ионизации, создаваемая γ- излучением, значительно меньше, чем при облучении α- и β- частицами. На 1 см пути в воздухе γ- кванты создают несколько пар ионов с учетом как первичного [2], так и вторичного [3] излучений.

При прохождении γ- квантов через среду ионизация производится электронами, выбиваемыми из атомов в результате взаимодействия с γ- квантами. Интенсивность потока γ - излучения после прохождения через слой толщины x равна

, (2)

где μ - полный линейный коэффициент ослабления γ- излучения, определяемый свойствами вещества ослабляющего слоя и энергией γ- квантов.

Защитные свойства характеризуются толщиной слоя половинного ослабления, т. е. слоя, после прохождения, которого интенсивность γ- излучения уменьшается вдвое. Связь коэффициента ослабления γ- излучения и слоя половинного ослабления х_1/2 выражается следующей формулой:

. (3)

ОСНОВНЫЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ

Поглощенная доза. Согласно определению Международной комиссии по радиологическим измерениям (мкре) поглощенная доза какого-либо ионизирующего излучения есть энергия, которая передается ионизирующими частицами единице массы облучаемого вещества.

. (3)

Единицей поглощенной дозы может быть любая величина, имеющая размерность [энергия/масса]. В системе единиц СИ поглощенная доза измеряется в греях [4] (Гр):

1Гр = 1Дж/к г.

По рекомендации мкре единицей поглощенной дозы является рад:

1 рад=100 эрг/г=10^-2 Гр.

Экспозиционная доза. Для оценки биологического действия облучения решающую роль играет количество энергии, поглощенной организмом. Однако существующие дозиметрические приборы позволяют измерить не поглощенную дозу, а лишь дозу излучения по ионизирующему эффекту, производимому данными излучениями в воздушной среде. Поэтому все расчеты, связанные с защитой человека от действия излучения, приходится производить на основании не фактически поглощенной дозы, а дозы излучений, показывающей ионизирующее действие излучения в воздухе.

Экспозиционная доза – это количественная характеристика взаимодействия рентгеновского или γ- излучения с веществом, равная суммарному электрическому заряду ионов одного знака, образованному излучением, в единице массы вещества.

. (4)

Единицей экспозиционной дозы облучения в системе СИ является кулон на килограмм (Кл/к г). Чаще всего используется внесистемная единица рентген (Р).

.

Рентген - такая доза, при которой под действием облучения рентгеновскими или γ- лучами в 1 см³ воздуха при нормальных условиях создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака. Масса 1 см³ сухого атмосферного воздуха при 0°C и давлении 760 мм рт. ст. равна 0.001293 г.

Для воздуха 1 Р соответствует 0.88 рад, для биологической ткани 0.93 рад.

Эквивалентная доза. Воздействие излучения на организм человека определяется не только количеством поглощенной энергии или числом пар, образованных ионов, но и плотностью ионизации, т. е. количеством пар ионов, образованных на единице пути ионизирующей частицы в тканях. Выше указывалось, что наибольшую плотность ионизации создают α- частицы, поэтому поражающее действие их в несколько раз больше, чем β– частиц или γ - излучения, даже при равном количестве поглощенной энергии.

Для сравнительной оценки биологического действия различных видов излучения используются коэффициенты качества (КК) и величины линейной потери энергии (ЛПЭ), показывающие во сколько раз биологическое действие данного вида излучения сильнее биологического действия γ- излучения при равных величинах поглощенной энергии.

Доза, получаемая объектом с учетом КК, называется эквивалентной (D _экв). Эта величина, введенная для оценки радиационной опасности хронического облучения человека в поле ионизирующих излучений произвольного состава, определяется суммой произведений поглощенных доз D_i отдельных видов излучений и их соответствующих коэффициентов качества К _i, т. е.

. (5)

Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт (Зв).[5]

Зиверт - это количество энергии, поглощенное живой тканью при облучении любым видом ионизирующей радиации и вызывающее такой же биологический эффект как и поглощенная доза в 1 грей рентгеновского или γ- излучения с энергией 200 кэВ.

Внесистемной единицей Dэкв. является биологический эквивалент рада (бэр).

1 бэр = 10^-2 Зв.

В таблице 1 приведены данные, позволяющие определить биологическую эквивалентную дозу.

Таблица 1

Виды излучения	КК
γ – излучение
Рентгеновское излучение
β – излучение
α – излучение (≤10 МэВ)
Протоны (≤10 МэВ)
Тяжелые ядра отдачи
Нейтроны тепловые [6]
Нейтроны с энергией 5 кэВ	2.5
Нейтроны с энергией 20 кэВ
Нейтроны с энергией 500 кэВ
Нейтроны с энергией 5 МэВ
Нейтроны с энергией 10 МэВ	6.5

Мощность дозы. Мощность дозы – это доза, получаемая объектом в единицу времени. В системе Си мощности поглощенной, экспозиционной и эквивалентной доз измеряются соответственно в Гр/с, А/к г и Зв/с. В тоже время применяются множество внесистемных единиц – рад/час, мкР/с бэр/год и другие.

Активность источника. Активностью радиоактивного препарата называется число актов распада ядер данного препарата в единицу времени. Активность измеряется в единицах, именуемых кюри (Ки). Кюри–активность одного грамма радиоактивного свежеприготовленного препарата радия, в котором происходит 3.7×10¹⁰ расп./с. Единица активности соответствующая 1 расп./с в системе СИ получила название беккерель (Бк). Активность источника не может прямо характеризовать ионизирующее действие излучения, испускаемого источником. При одной и той же активности источника ионизирующее действие излучения зависит от таких факторов как вид и энергия излучения, физическая природа облучаемой среды и др. Поэтому кроме измерения активности источника излучения требуется измерять и ионизирующее действие излучения.

123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: