С середины прошлого века в науку пришло новое слово - радиация. Ее открытие совершило переворот в умах физиков всего мира и позволило отбросить некоторые ньютоновские теории и сделать смелые предположения относительно строения Вселенной, ее образования и нашего места в ней. Но это все - для специалистов. Обыватели же только вздыхают и пытаются сложить воедино такие разрозненные знания об этом предмете. Усложняет процесс тот факт, что единиц измерения радиации существует довольно много, и все они правомочны.
Терминология
Первый термин, с которым стоит познакомиться, - это, собственно, радиация. Так называют процесс излучения каким-либо веществом мельчайших частиц, таких как электроны, протоны, нейтроны, атомы гелия и другие. В зависимости от вида частицы свойства излучения отличаются друг от друга. Излучение наблюдают либо при распаде веществ на более простые, либо при их синтезе.
Единицы измерения радиации - это условные понятия, которые указывают, сколько элементарных частиц высвобождается из вещества. На данный момент физика оперирует семью разными единицами и их комбинациями. Это позволяет описывать различные процессы, происходящие с материей.
Радиоактивный распад - произвольное изменение строения нестабильных ядер атомов при помощи высвобождения микрочастиц.
Постоянная распада - это статистическое понятие, предсказывающее вероятность разрушения атома на определенный отрезок времени.
Период полураспада - это временной промежуток, за который распадается половина всего количества вещества. У некоторых элементов он исчисляется минутами, а у других - годами, и даже десятилетиями.
В чем измеряется радиация
Единицы измерения радиации - не единственные, которые используются для оценки свойств Кроме них применяют такие величины, как:
- активность источника радиации;
- плотность потока (количество ионизирующих частиц на единицу площади).
Кроме этого, существует разница в описании воздействия радиации на живые и неживые объекты. Так, если вещество неживое, то к нему применимы понятия:
Поглощенная доза;
- экспозиционная доза.
Если же излучение подействовало на живую ткань, то используют следующие термины:
Эквивалентная доза;
- эффективная эквивалентная доза;
- мощность дозы.
Единицами измерения радиации являются, как уже говорилось выше, условные числовые значения, принятые учеными для облегчения расчетов и построения гипотез и теорий. Возможно, именно поэтому не существует единой общепринятой единицы измерения.
Кюри
Одной из единиц измерения радиации является кюри. Она не относится к системным (не принадлежит к системе СИ). В России ее используют в ядерной физике и медицине. Активность вещества будет равняться одному кюри, если за одну секунду в нем будет происходить 3,7 миллиардов радиоактивных распадов. То есть можно сказать, что один кюри равен трем миллиардам семистам миллионам беккерелей.
Такое число получилось благодаря тому, что Мария Кюри (которая и ввела в науку данный термин) проводила свои опыты на радии и взяла за основу его скорость распада. Но со временем физики решили, что числовое значение этой единицы лучше привязать к другой - беккерелю. Это позволило избежать некоторых погрешностей в математических расчетах.
Помимо кюри, часто можно встретить кратные или дольные единицы, такие как:
- мегакюри (равен 3,7 на 10 в 16 степени беккерелей);
- килокюри (3,7 тысячи миллиардов беккерелей);
- милликюри (37 миллионов беккерелей);
- микрокюри (37 тысяч беккерелей).
При помощи этой единицы можно выразить объемную, поверхностную или удельную активность вещества.
Беккерель
Единица измерения дозы радиации беккерель является системной и входит в Международную систему единиц (СИ). Она является самой простой, потому что активность радиации в один беккерель означает, что в веществе происходит всего один радиоактивный распад за секунду.
Она получила свое название в честь Антуана французского физика. Название было одобрено в конце прошлого века и используется до сих пор. Так как это достаточно маленькая единица, то для обозначения активности используют десятичные приставки: кило-, милли-, микро- и другие.
В последнее время вместе с беккерелями стали использоваться такие внесистемные единицы, как кюри и резерфорд. Один резерфорд равняется миллиону беккерелей. В описании объемной или поверхностной активности можно встретить обозначения беккерель на килограмм, беккерель на метр (квадратный или кубический) и различные их производные.
Рентген
Единица измерения радиации рентген тоже не является системной, хоть и используется повсеместно для обозначения экспозиционной дозы полученного гамма-излучения. Один рентген равен такой дозе излучения, при которой один кубический сантиметр воздуха при стандартном атмосферном давлении и нулевой температуре несет в себе заряд, равный 3,3*(10*-10). Это равно двум миллионам пар ионов.
Несмотря на то, что по законодательству РФ большинство внесистемных единиц использовать запрещено, рентген используется в маркировке дозиметров. Но и они скоро перестанут использоваться, так как более практичным оказалось записывать и вычислять все в греях и зивертах.
Рад
Единица измерения радиации рад находится вне системы СИ и равняется такому количеству излучения, при котором одному грамму вещества передается одна миллионная джоуля энергии. То есть один рад - это 0,01 джоуль на килограмм материи.
Материалом, который поглощает энергию, может быть как живая ткань, так и другие органические и неорганические вещества и субстанции: почва, вода, воздух. Как самостоятельная единица рад был введен в 1953 году и в России имеет право использоваться в физике и медицине.
Грей
Это еще одна единица измерения уровня радиации, которая признана Международной системой единиц. Она отражает поглощенную дозу радиации. Считается, что вещество получило дозу в один грей, если энергия, которая передалась с излучением, равна одному джоулю на килограмм.
Эта единица получила свое название в честь английского ученого Льюиса Грея и была официально введена в науку в 1975 году. По правилам, полное название единицы пишется с маленькой буквы, но ее сокращенное обозначение - с большой. Один грей равен ста радам. Помимо простых единиц, в науке используют еще кратные и дольные их эквиваленты, такие как килогрей, мегагрей, децигрей, сантигрей, микрогрей и другие.
Зиверт
Единица измерения радиации зиверт используется для обозначения эффективной и эквивалентной доз излучения и также входит в систему СИ, как грей и беккерель. Используется в науке с 1978 года. Один зиверт равен энергии, которую поглотил килограмм ткани после воздействия одного грея гамма-лучей. Название свое единица получила в честь Рольфа Зиверта, ученого из Швеции.
Судя по определению, зиверты и греи равны, то есть эквивалентная и поглощенная дозы имеют одинаковые размеры. Но разница между ними все-таки есть. При определении эквивалентной дозы необходимо учитывать не только количество, но и другие свойства излучения, такие как длина волны, амплитуда и какие частицы ее представляют. Поэтому числовое значение поглощенной дозы умножают на коэффициент качества излучения.
Так, например, при всех прочих равных условиях поглощенный эффект альфа-частиц будет в двадцать раз сильнее, чем такая же доза гамма-излучения. Помимо этого, необходимо учитывать тканевой коэффициент, который показывает, как органы реагируют на излучение. Поэтому эквивалентная доза используется в радиобиологии, а эффективная - в гигиене труда (для нормирования воздействия излучения).
Солнечная постоянная
Существует теория, что жизнь на нашей планете появилась благодаря солнечной радиации. Единицы измерения излучения от звезды - калории и ватты, деленные на единицу времени. Так было решено потому, что величина радиации от Солнца определяется по количеству тепла, которое получают объекты, и интенсивности, с которой оно поступает. До Земли доходит всего половина миллионной доли от общего количества выбрасываемой энергии.
Радиация от звезд распространяется в космосе со скоростью света и в нашу атмосферу попадет в виде лучей. Спектр этого излучения довольно широкий - от «белого шума», то есть радиоволн, до рентгеновских лучей. Частицы, которые тоже попадают вместе с излучением, - это протоны, но иногда могут быть и электроны (если выброс энергии был большим).
Излучение, получаемое от Солнца, является движущей силой всех живых процессов на планете. Количество получаемой нами энергии зависит от времени года, положения звезды над горизонтом и прозрачности атмосферы.
Воздействие радиации на живых существ
Если одинаковые по своим характеристикам живые ткани облучать разными видами радиации (в одинаковой дозе и интенсивности), то результаты будут разниться. Поэтому для определения последствий мало только поглощенной или экспозиционной дозы, как в случае с неживыми объектами. На сцене появляются единицы измерения проникающей радиации, такие как зиверты бэры и греи, которые указывают на эквивалентную дозу радиации.
Эквивалентной называется доза, поглощенная живой тканью и умноженная на условный (табличный) коэффициент, который учитывает, насколько опасен тот или иной вид радиации. Чаще всего для ее измерения используется зиверт. Один зиверт равняется ста бэрам. Чем больше коэффициент тем, соответственно, опаснее излучение. Так, для фотонов это - единица, а для нейтронов и альфа-частиц - двадцать.
Со времени аварии на Чернобыльской АЭС в России и других странах СНГ стали особое внимание уделять уровню радиационного воздействия на человека. Эквивалентная доза от естественных источников излучения не должна быть выше пяти миллизивертов в год.
Действие радионуклидов на не живые объекты
Радиоактивные частицы несут в себе заряд энергии, который они передают веществу, когда сталкиваются с ним. И чем больше частиц соприкоснется на своем пути с определенным количеством вещества, тем больше оно получит энергии. Количество ее оценивается в дозах.
- Поглощенная доза - это то которое было получено единицей вещества. Измеряется в греях. Эта величина не учитывает тот факт, что воздействие разных видов излучения на материю отличается.
- Экспозиционная доза - представляет собой поглощенную дозу, но с учетом степени ионизации вещества от воздействия разных радиоактивных частиц. Измеряется в кулонах на килограмм или рентгенах.
Мы рассмотрели природу радиации - что такое радиация (ионизирующее излучение) и радиоактивность, понятие радионуклидов и периода полураспада , влияние радиации на организм человека , и немного рассказали о радиоактивных предметах вокруг нас. Статья дала информацию о способах измерения радиоактивности и радиационного фона, о дозиметрах . Мы также привели несколько примеров дозиметров-радиометров, и пояснили, что не стоит паниковать, если прибор «зашкаливает». В третьей части статьи о Радиации мы расскажем про дозы излучения …
Экспозиционная доза
Основная характеристика взаимодействия ионизирующего излучения и среды - это ионизационный эффект. В начальный период развития радиационной дозиметрии чаще всего приходилось иметь дело с рентгеновским излучением, распространявшимся в воздухе. Поэтому в качестве количественной меры поля излучения использовалась степень ионизации воздуха рентгеновских трубок или аппаратов. Количественная мера, основанная на величине ионизации сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении, достаточно легко поддающаяся измерению, получила название экспозиционная доза .
Экспозиционная доза определяет ионизирующую способность рентгеновских и гамма-лучей и выражает энергию излучения, преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы атмосферного воздуха. Экспозиционная доза - это отношение суммарного заряда всех ионов одного знака в элементарном объёме воздуха к массе воздуха в этом объёме.
В системе СИ единицей измерения экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица - рентген (Р ). 1 Кл/кг = 3880 Р
Поглощённая доза
При расширении круга известных видов ионизирующего излучения и сфер его приложения, оказалось, что мера воздействия ионизирующего излучения на вещество не поддается простому определению из-за сложности и многообразности протекающих при этом процессов. Важным из них, дающим начало физико-химическим изменениям в облучаемом веществе и приводящим к определенному радиационному эффекту, является поглощение энергии ионизирующего излучения веществом. В результате этого возникло понятие поглощенная доза . Поглощенная доза показывает, какое количество энергии излучения поглощено в единице массы любого облучаемого вещества и определяется отношением поглощенной энергии ионизирующего излучения на массу вещества.
В единицах системы СИ поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм (Дж/кг), и имеет специальное название - Грэй (Гр ). 1 Гр - это такая доза, при которой массе 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж . Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад . 1 Гр=100 рад .
Поглощённая доза — основополагающая дозиметрическая величина, не она отражает биологический эффект облучения.
Эквивалентная доза
Эквивалентная доза (E, HT,R ) отражает биологический эффект облучения. Изучение отдельных последствий облучения живых тканей показало, что при одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что более тяжелая частица (например, протон) производит на единице пути в ткани больше ионов, чем легкая (например, электрон). При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, введено понятие эквивалентной дозы . Эквивалентная доза рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы на специальный коэффициент - коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ ) или коэффициент качества данного вида излучения (WR ), отражающий его способность повреждать ткани организма.
При воздействии различных видов излучения с различными коэффициентами качества эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения.
Единицей измерения эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв ) и измеряется в джоулях, деленных на килограмм (Дж/кг ). Величина 1 Зв равна эквивалентной дозе любого вида излучения, поглощенной в 1 кг биологической ткани и создающей такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения. Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является Бэр (до 1963 года — биологический эквивалент рентгена , после 1963 года — биологический эквивалент рада ). 1 Зв = 100 бэр .
Коэффициент качества - в радиобиологии усредненный коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ). Характеризует опасность данного вида излучения (по сравнению с γ-излучением). Чем коэффициент больше, тем опаснее данное излучение. (Термин нужно понимать как «коэффициент качества вреда»).
Значения коэффициента качества ионизирующих излучений определены с учетом воздействия микрораспределения поглощенной энергии на неблагоприятные биологические последствия хронического облучения человека малыми дозами ионизирующих излучений. Для коэффициента качества существует ГОСТ 8.496-83 . ГОСТ как стандарт применяют при контроле степени радиационной опасности для лиц, подвергающихся во время работы облучению ионизирующим излучением. Стандарт не применяют при острых облучениях и во время радиотерапии.
ОБЭ конкретного вида излучения - отношение поглощённой дозы рентгеновского (или гамма) излучения к поглощённой дозе излучения при одинаковой эквивалентной дозе.
| Коэффициэнты качества для видов излучения: | |
| Фотоны (γ-излучение и рентгеновские лучи), по определению | 1 |
| β-излучение(электроны, позитроны) | 1 |
| Мюоны | 1 |
| α-излучение с энергией меньше 10 МэВ | 20 |
| Нейтроны (тепловые, медленные, резонансные), до 10 кэВ | 5 |
| Нейтроны от 10 кэВ до 100 кэВ | 10 |
| Нейтроны от 100 кэВ до 2 МэВ | 20 |
| Нейтроны от 2 МэВ до 20 МэВ | 10 |
| Нейтроны более 2 МэВ | 5 |
| Протоны, 2…5 МэВ | 5 |
| Протоны, 5…10 МэВ | 10 |
| Тяжёлые ядра отдачи | 20 |
Эффективная доза
Эффективная доза , (E , эффективная эквивалентная доза ) - величина, используемая в радиационной защите как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения (стохастических эффектов ) всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности.
Разные части тела (органы, ткани) имеют различную чувствительность к радиационному воздействию: например, при одинаковой дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе. Эффективная эквивалентная доза рассчитывается как сумма эквивалентных доз по всем органам и тканям, умноженных на взвешивающие коэффициенты для этих органов, и отражает суммарный эффект облучения для организма.
Взвешенные коэффициенты устанавливают эмпирически и рассчитывают таким образом, чтобы их сумма для всего организма составляла единицу. Единицы измерения эффективной дозы совпадают с единицами измерения эквивалентной дозы . Она также измеряется в Зивертах или Бэрах .
Фиксированная эффективная эквивалентная доза (CEDE - the committed effective dose equivalent )- это оценка доз радиации на человека, в результате ингаляции или употребления некоторого количества радиоактивного вещества. СЕDЕ выражается в бэрах или зивертах (Зв ) и учитывает радиочувствительность различных органов и время, в течение которого вещество остается в организме (вплоть до всей жизни). В зависимости от ситуации, СЕDЕ может также иметь отношение к дозе излучения определенного органа, а не всего тела.
Эффективная и эквивалентная дозы — это нормируемые величины, т.е.величины, являющиеся мерой ущерба (вреда) от воздействия ионизирующего излучения на человека и его потомков. К сожалению, они не могут быть непосредственно измерены. Поэтому в практику введены операционные дозиметрические велины, однозначно определяемые через физические характеристики поля излучения в точке, максимально возможно приближенные к нормируемым. Основной операционной величиной является амбиентный эквивалент дозы (синонимы — эквивалент амбиентной дозы , амбиентная доза ).
Амбиентный эквивалент дозы Н*(d) — эквивалент дозы, который был создан в шаровом фантоме МКРЕ (международной комиссии по радиационным единицам) на глубине d (мм) от поверхности по диаметру, параллельному направлению излучения, в поле излучения, идентичном рассматриваемому по составу, флюенсу и энергетическому распределению, но мононаправленном и однородном, т.е. амбиентный эквивалент дозы Н*(d) — это доза, которую получил бы человек, если бы он находился на месте, где проводится измерение. Единица амбиентного эквивалента дозы — Зиверт (Зв ).
Групповые дозы
Подсчитав индивидуальные эффективные дозы, полученные отдельными людьми, можно прийти к коллективной дозе - сумме индивидуальных эффективных доз в данной группе людей за данный промежуток времени. Коллективную дозу можно подсчитать для населения отдельной деревни, города, административно-территориальной единицы, государства и т. д. Её получают путем умножения средней эффективной дозы на общее количество людей, которые находились под воздействием излучения. Единицей измерения коллективной дозы является человеко-зиверт (чел.-Зв. ), внесистемная единица - человеко-бэр (чел.-бэр ).
Кроме того, выделяют следующие дозы:
- коммитментная - ожидаемая доза, полувековая доза. Применяется в радиационной защите и гигиене при расчёте поглощённых, эквивалентных и эффективных доз от инкорпорированных радионуклидов; имеет размерность соответствующей дозы.
- коллективная - расчётная величина, введенная для характеристики эффектов или ущерба для здоровья от облучения группы людей; единица - Зиверт (Зв ). Коллективная доза определяется как сумма произведений средних доз на число людей в дозовых интервалах. Коллективная доза может накапливаться в течение длительного времени, даже не одного поколения, а охватывая последующие поколения.
- пороговая - доза, ниже которой не отмечены проявления данного эффекта облучения.
- предельно допустимые дозы (ПДД) - наибольшие значения индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год, при которой равномерное облучение в течение 50 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами (НРБ-99)
- предотвращаемая - прогнозируемая доза вследствие радиационной аварии, которая может быть предотвращена защитными мероприятиями.
- удваивающая - доза, которая увеличивает в 2 раза (или на 100%) уровень спонтанных мутаций. Удваивающая доза обратно пропорциональна относительному мутационному риску. Согласно имеющимся в настоящее время данным, величина удваивающей дозы для острого облучения составляет в среднем 2 Зв, а для хронического облучения - около 4 Зв .
- биологическая доза гамма-нейтронного излучения - доза равноэффективного по поражению организма гамма-облучения, принятого за стандартное. Равна физической дозе данного излучения, умноженной на коэффициент качества.
- минимально летальная - минимальная доза излучения, вызывающая гибель всех облученных объектов.
Мощность дозы
Мощность дозы (интенсивность облучения ) - приращение соответствующей дозы под воздействием данного излучения за единицу времени. Имеет размерность соответствующей дозы (поглощенной, экспозиционной и т. п.), делённую на единицу времени. Допускается использование различных специальных единиц (например, мкР/час , Зв/час , бэр/мин , сЗв/год и др.).
После того как были открыты бета-излучение и альфа-излучение, стал вопрос оценки этих излучений при взаимодействии с окружающей средой. Экспозиционная доза для оценки этих излучений оказалась непригодной, так как степень ионизации от них оказалась различной в воздухе, в различных облучаемых веществах и в биологической ткани. Поэтому была предложена универсальная характеристика - поглощенная доза.
Поглощенная доза - количество энергии Е, переданное веществу ионизирующим излучением любого вида в пересчете на единицу массы т любого вещества.
Другими словами, поглощенная доза (D) - это отношение энергии dE, которая передана веществу ионизирующим излучением в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:
1 Дж/кг = 1 Грей. Внесистемная единица - рад (радиационная адсорбционная доза). 1 Грей = 100 рад.
Можно использовать и дробные значения единиц, например: мГр, мкГр, мрад, мкрад и др.
Примечание. Согласно РД50-454-84 использование единицы «рад» не рекомендуется. Однако на практике имеются приборы с этой градуировкой, и она пока используется.
В определение поглощенной дозы входит понятие средней энергии, переданной веществу в определенном объеме. Дело в том, что из-за статистической природы излучения и вероятностного характера взаимодействия излучения с веществом величина переданной энергии веществу подвержена флюктуациям. Предсказать ее значение при измерении заранее нельзя. Однако, проведя ряд измерений, можно получить среднее значение этой величины.
Доза в органе или биологической ткани (D,r) - средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела:
D T = E T /m T ,(4)
где Е Т - полная энергия, переданная ионизирующим излучением ткани или органу; m Т - масса органа или ткани.
При облучении вещества поглощенная доза нарастает. Скорость нарастания дозы характеризуется мощностью поглощенной дозы.
Мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения - отношение приращения поглощенной дозы излучения dD за интервал времени dt к этому интервалу:
Единицы измерения мощности дозы: рад/с, Гр/с, рад/ч, Гр/ч и т.д.
Мощность поглощенной дозы в ряде случаев можно рассматривать как величину постоянную на каком-то небольшом интервале времени или изменяющуюся по экспоненте на значительном интервале времени, тогда можно считать, что:
Керма - аббревиатура английских слов в переводе обозначает «кинетическая энергия ослабления в материале». Характеристика используется для оценки воздействия на среду косвенно ионизирующих излучений. Керма - это отношение суммы первоначальных кинетических энергий dE k всех заряженных частиц, образованных косвенно ИИ в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:
К = dE k /dm. (7)
Единицы измерения в СИ и внесистемная: Грей и рад соответственно.
Керма введена для более полного учета поля излучения, в частности плотности потока энергии, и используется для оценки воздействия на среду косвенно ионизирующих излучений.
Эквивалентная доза
Установлено, что при облучении одной и той же энергией биологической ткани человека (то есть при получении одной и той же дозы), но различными видами лучей последствия для здоровья будут разными. Например, при облучении альфа-частицами тела человека вероятность заболеть раком значительно выше, чем при облучении бета-частицами или гамма-лучами. Поэтому для биологической ткани была введена характеристика - эквивалентная доза.
Эквивалентная доза (HTR) - поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий коэффициент качества излучения WR данного вида излучения R.
Введена для оценки последствий облучения биологической ткани малыми дозами (дозами, не превышающими 5 предельно допустимых доз при облучении всего тела человека), то есть 250 мЗв/год. Ее нельзя использовать для оценки последствий облучения большими дозами.
Доза эквивалентная равна:
H T . R = D T . R · W R ,(8)
где D T . R - поглощенная доза биологической тканью излучением R; W R - весовой множитель (коэффициент качества) излучения R (альфа-частиц, бета-частиц, гамма-квантов и др.), учитывающий относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов (табл. 1). Этот множитель зависит от многих факторов, в частности от величины линейной передачи энергии, от плотности ионизации вдоль трека ионизирующей частицы и т.д.
Формула (8) справедлива для оценки доз как внешнего, так и внутреннего облучения только отдельных органов и тканей или равномерного облучения всего тела человека.
При воздействии различных видов излучений одновременно с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для всех этих видов излучения R:
H T = Σ H T . R (9)
Установлено, что при одной и той же поглощенной дозе биологический эффект зависит от вида ионизирующих излучений и плотности потока излучения.
Примечание. При использовании формулы (8) средний коэффициент качества принимают в данном объеме биологической ткани стандартного состава: 10,1% водорода, 11,1% углерода, 2,6 % азота, 76,2 % кислорода.
Единица измерения эквивалентной дозы в системе СИ - Зиверт (Зв).
Зиверт - единица эквивалентной дозы излучения любой природы в биологической ткани, которая создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр образцового рентгеновского излучения с энергией фотонов 200 кэВ, Используются также дробные единицы - мкЗв, мЗв. Существует и внесистемная единица - бэр (биологический эквивалент рада), которая постепенно изымается из пользования.
1 Зв = 100 бэр.
Используются также дробные единицы - мбэр, мкбэр.
Таблица 1. Коэффициенты качества излучения
|
Вид излучения и диапазон энергии |
Коэффициенты качества WE |
|
Фотоны всех энергий | |
|
Электроны всех энергий | |
|
Нейтроны с энергией: | |
|
от 10 кэВ до 100 кэВ | |
|
> 100 кэВ до 2 Мзв | |
|
> 2 МэВ до 20 МэВ | |
|
Протоны с энергией более 2 МэВ, кроме протонов отдачи | |
|
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра | |
|
Примечание. Все значения относятся к излучению, падающему на тело, а в случае внутреннего облучения - испускаемому при ядерном превращении. |
|
Примечание. Коэффициент W R учитывает зависимость неблагоприятных биологических результатов облучения в малых дозах от полной линейной передачи энергии (ЛПЭ) излучения. В таблице 2 приведена зависимость весового коэффициента качества W R от ЛПЭ.
Таблица 2. Зависимость коэффициента качества WR от ЛПЭ
Мощность эквивалентной дозы - отношение приращения эквивалентной дозы dH за время dt к этому интервалу времени:
Единицы измерения мощности эквивалентной дозы мЗв/с, мкЗв/с, бэр/с, мбэр/с и т.д.
Воздействие излучений на живые организмы характеризуется дозой излучения.
Экспозиционная доза Х ионизирующего излучения - суммарный заряд, образовавшийся за счет излучения в 1 см 3 воздуха за некоторое время t.
Измеряется в кулонах на килограм (Кл/кг ), внесистемная единица - рентген (Р ).
При дозе в 1 Р в 1 см 3 при нормальных условиях образуется 2,08 . 10 9 пар ионов, что соответствует 2,58 . 10 -4 Кл/кг . При этом в 1 см 3 воздуха за счет ионизации поглощается энергия, равная 1,1 . 10 -8 Дж , т.е. 8,5 мДж/кг .
Поглощенная доза излучения Д п. - физическая величина, равная отношению поглощенной энергии W п к массе M п облучаемого вещества. Величины поглощенной дозы определяются с помощью выражения
Д п = W п / M п.
В системе СИ единицей поглощенной дозы является Грей. Эта единица названа в честь английского физика А. Грея. Такую дозу получает тело массой 1 кг , если оно поглотило энергию в 1 Дж.
До 1980 г. в качестве единицы поглощенной дозы применялись: рад и рентген. Это внесистемные единицы.
Рад – от англ. поглощенная доза излучения .
1 рад = 10 -2 Дж/кг = 10 -2 Гр.
1 Грей (Гр)= 100 рад » 110 Р (для гамма-излучения).
Единица «Рентген» довольно часто используется и сейчас; возможно, это просто дань традиции. По определению доза в 1 Р соответствует такому излучению, при котором в 1 см 3 воздуха при н.у. (Р 0 =760 мм. рт. ст , Т = 273 К ) обра-зуется определенное число пар ионов (N » 2,1·10 9), так что их суммарный заряд равен 3,3·10 -10 Кл . Понятен смысл данного определения: зная ток и время разрядки, можно опытным путем определить суммарный заряд ионизации и число пар ионов, возникших в результате облучения
N ион = Q общ /е.
Для этих же условий (н.у.) найдем величину поглощенной дозы:
Д п = W п /M п = 112,5·10 -10 /0,128·10 -5 = 8,7·10 -3 Дж/кг .
Таким образом, доза в 1 рентген соответствует поглощенной дозе 8,7·10 -3 Дж/кг или 8,7·10 мГр .
1 Р = 8,7·10 –3 Дж/кг = 8,7 мГр.
Доза в 1 Р создается лучами, испускаемыми 1 граммом радия, на расстоянии 1 м от источника в течение 1 часа.
Мощность поглощенной дозы Д I П. - физическая величина, характеризующая величину энергии, поглощаемой единицей массы какого-либо физического тела в единицу времени:
D 1 п = Д П / t = W П / M Пп t .
Величину фонового излучения нам обычно сообщают в микрорентген/час, например 15 мкР/час . Эта величина имеет размерность мощности поглощенной дозы, но выражена она не в единицах системы СИ.
Эквивалентная доза H экв.- величина, которая харак-теризует поглощенную дозу живого организма. Она равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма:
H экв. = КК × D П,
где КК – средний коэффициент качества ионизирующего излучения в данном элементе объема биологической ткани (табл. 22.1).
Таблица 22.1.э.
Надо отметить, что эквивалентная доза H экв харак-теризует среднее значение поглощенной дозы живым орга-низмом, хотя одни и те же ткани (кости, мышцы, мозг и др.) для разных людей и при разных условиях будут поглощать разную энергию.
В системе СИ единицей эквивалентной дозы является Зиверт (1 Зв ), названной так в честь шведского ученого – радиолога Р.Зиверта. На практике часто используется внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рентгена).
1 бэр = 0,01 Дж/кг .
На практике используются дольные единицы: миллибэр (1мбэр = 10 -3 бэр ); микробэр (1мкбэр = 10 -6 бэр) ; нанобэр (1нбэр = 10 -9 бэр ).
Существует другое определение понятия бэр .
Бэр - это количество энергии, поглощенное живым орга-низмом при облучении любым видом ионизирующей радиации и вызывающее такой же биологический эффект, как и погло-щенная доза в 1 рад рентгеновского или g-излучения с энергией 200 кэВ.
Соотношение между названными единицами (1 Зв, 1 бэр, 1 Р ) такое:
1 Зв = 100 бэр » 110 Р (для гамма-излучения).
По мере удаления от точечного источника доза убывает обратно пропорционально квадрату расстояния (~ 1 / r 2).
Поглощенная доза
D п = D 1 эт ·t обл /r 2 . [D 1 э т ] = 1Р· 1м 2 /час,
где D 1 эт - мощность точечного источника; t обл - время облучения, ч; r - расстояние от источника, м.
Активность точечного излучателя и мощность дозы связаны соотношением:
Р = К g ,
где К g - ионизационная постоянная, r - расстояние от источника излучения, d - толщина защитного экрана, - коэффициент поглощения излучения в материале экрана.
Ионизационная постоянная К g и коэффициент поглощения экрана сложным образом зависят от вида и энергии излучения. Для гамма-квантов с энергией около 1 МэВ отношение коэффициента поглощения к плотности материала для многих материалов (вода, аллюминий, железо, медь, свинец, бетон, кирпич) близко к величине 7 . 10 -3 м 2 /кг .
Естественный фон радиации (космические лучи; радиоактивность окружающей среды и человеческого тела) составляет за год дозу излучения около Гр на человека. Международная комиссия по радиационной защите установила для лиц, работающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр. Доза излучения в 3 – 10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.
При работе с любым источником радиации (радиоактивные изотопы, реакторы и др.) необходимо принимать меры по радиационной защите всех людей, могущих попасть в зону действия излучения.
Самый простой метод защиты это удаление персонала от источника излучения на достаточно большое расстояние. Даже без учета поглощения в воздухе интенсивность радиации убывает о пропорционально квадрату расстояния от источника. Поэтому ампулы с радиоактивными препаратами не следует брать руками. Надо пользоваться специальными щипцами с длинной ручкой.
В тех случаях, когда удаление от источника излучения на достаточно большое расстояние невозможно, используют для защиты от излучения преграды из поглощающих материалов.
Наиболее сложна защита от g-лучей и нейтронов из-за их большой проникающей способности. Лучшим поглотителем g-лучей является свинец. Медленные нейтроны хорошо поглощаются бором и кадмием. Быстрые нейтроны предварительно замедляются с помощью графита.
Фону в 15 мкР/час соответствует мощность дозы 36,2·10 –12 Гр/с (или 4,16·10 -9 Р/с ). При такой мощности дозы человек за один год, при условии, что ионизация тканей происходит также как ионизация воздуха, получит дозу радиации, равную 1,1 мГр (или 0,13 Р ). Такая доза радиации очень мала и неопасна для человека. Но надо еще иметь в виду, что радиация может накапливаться строительными материалами, которые используются при постройке жилых и промышленных зданий. Влияние излучения от конструкционных материалов может быть более существенным, чем от фона наружного воздуха.
Зная общую эквивалентную дозу, можно найти эквива-лентную поглощенную дозу отдельных органов (H орг, i = К рр ×Д экв ) и оценить вероятность их лучевого поражения. В то же время при использовании лучевой терапии в медицине очень важно знать и установить значения мощности источника излучения и время экспозиции таким образом, чтобы эквивалентная поглощенная доза для данного органа (например, для легких) не выходила за пределы допустимой дозы.
Эта статья посвящена теме поглощенной дозы излучения (и-ния), ионизирующему излучению и их видам. Здесь содержится информация о разнообразии, природе, источниках, способах вычисления, единицах измерения поглощенной дозы излучения и многом другом.
Понятие о поглощенной дозе излучения
Доза излучения - это величина, которой пользуются такие науки как, физика и радиобиология, для того чтобы оценить степень воздействия излучения ионизирующего типа на ткани живых организмов, процессы их жизнедеятельности, а также на вещества. Что называется поглощенной дозой излучения, каково ее значение, форма воздействия и разнообразие форм? Главным образом она представлена в форме взаимодействия между средой и ионизирующим излучением, а носит название ионизационного эффекта.
Поглощенная имеет свои способы и единицы измерения, а сложность и разнообразие протекающих процессов при воздействии излучения порождают некоторое видовое разнообразие в формах поглощенной дозы.
Ионизирующая форма излучения
Ионизирующее излучение - это поток различных видов элементарных частиц, фотонов или осколков образованных в результате атомного деления и способных вызывать ионизацию у вещества. Ультрафиолетовое излучение, как и видимая форма света к такому виду излучения не относится, также к ним не относятся излучение инфракрасного типа и выделяемое радиодиапазонами, что связано с их малым количеством энергии, не хватающим для создания атомной и молекулярной ионизации в главном состоянии.
Ионизирующий вид излучения, его природа и источники
Поглощенная доза ионизирующего излучения может измеряться в различных единицах СИ, и зависит от природы излучения. Самые значимые виды излучения: гамма-излучение, бета-частицы позитронов и электронов, нейтронное, ионное (включая альфа-частицы), рентгеновское, электромагнитное с короткими волнами (фотоны с высокой энергией) и мюонное.
Природа источников ионизирующего излучения может быть самой разнообразной, например: спонтанно произошедший радионуклидный распад, реакции термоядерного характера, лучи из космоса, искусственно созданные радионуклиды, реакторы ядерного типа, ускоритель элементарных частиц и даже аппарат, предназначенный для рентгена.
Каким образом воздействует ионизирующее излучение
В зависимости от механизма, по которому взаимодействуют, вещество и ионизирующее излучение, можно выделить непосредственный поток частичек заряженного типа и излучение, воздействующее косвенно, другими словами, фотонный или протонный поток, нейтральных частичек поток. Устройство образования позволяет выделить первичную и вторичную форму ионизирующего излучения. Мощность поглощенной дозы излучения определяется в соответствии с видом излучения, которому подвергается вещество, например, сила воздействия эффективной дозы лучей из космоса на земной поверхности, за пределами укрытия, равна 0.036 мкЗв/ч. Стоит также понимать, что тип измерения дозы и-ния и его показатель зависят от суммы некоторого множества факторов, говоря о космических лучах, это также зависит от широты геомагнитного вида и положения цикла одиннадцатилетней активности солнца.
Диапазон энергии ионизирующих частиц находится в диапазоне показателей от пары сотен электронвольт и доходит к показателям в 10 15-20 электрон-вольт. Длина пробега и способность к проникновению могут сильно отличаться, и лежать в пределах от нескольких микрометров, до тысяч и более километров.
Ознакомление с экспозиционной дозой
Эффект ионизации считается основной характеристикой формы взаимодействия излучения со средой. На начальном периоде становления радиационной дозиметрии в основном изучалось и-ние, электромагнитные волны которого лежали в пределах показателей между ультрафиолетовым и гамма-излучением, в силу того, что оно, широко распространенное в воздухе. Поэтому количественной мерой излучения для поля служил уровень ионизации воздуха. Такая мера стала основой для создания экспозиционной дозы, определяемой ионизацией воздуха в условиях обычного атмосферного давления, при этом сам воздух должен быть сухим.
Экспозиционная поглощенная доза излучения служит средством определения ионизирующих возможностей излучения рентгеновских лучей и гамма-лучей, показывает излучаемую энергию, что перетерпев превращение, стала кинетической энергией заряженных частичек в доле массы воздуха атмосферы.
Единица измерения поглощенной дозы излучения для экспозиционного типа - это кулон, компонент системы СИ, деленный на кг (Кл/кг). Вид внесистемной единицы измерения - рентген (Р). Один кулон/кг соответствует 3876 рентгенам.
Поглощенное количество
Поглощенная доза из-ния, как четкое определение, стало необходимым человеку в связи с разнообразием возможных форм воздействия того или иного излучения на ткани живых существ и даже неживых структур. Расширяясь, известный круг ионизирующих видов и-ния, показал что, степень влияния и воздействия может быть самой разнообразной и не подлежит обычному определению. Дать начало химико-физическим изменениям в тканях и вещества, подвергаемых облучению, может лишь конкретное количество поглощенной энергии излучения ионизирующего типа. Само число необходимое для запуска таких изменений зависит уже от вида излучения. Поглощенная доза и-ния возникла именно по этой причине. По сути, это энергетическая величина, которая подверглась поглощению единицей вещества и соответствует отношению энергии ионизирующего типа, что была поглощена и массой субъекта или объекта, поглощающего излучение.
Измеряют поглощенную дозу при помощи единицы грей (Гр) - составной части системы Си. Один грей - это величина дозы, способной передать один джоуль ионизирующего излучения 1 килограмму массы. Рад - внесистемная единица измерения, по величине 1 Гр соответствует 100 рад.
Поглощенная доза в биологии
Искусственное облучение тканей животного и растительного происхождения наглядно продемонстрировало, что разные типы радиации, находясь в одинаковой поглощенной дозе, могут по-разному, влиять на организм и все биологические и химические процессы, происходящие в нем. Это вызвано разницей создаваемого количества ионов более легкими и тяжелыми частицами. За один и тот же путь вдоль ткани протон может создать ионов больше, чем электрон. Чем плотнее собираются частицы в результате ионизации, тем сильнее будет разрушительное воздействие излучение на организм, в условиях одинаковой поглощенной дозы. Именно в соответствии с этим явлением, разности в силе воздействия различных видов излучения на ткани, было введено в использование обозначение эквивалентной дозы излучения. поглощенного излучения - это данные о полученном организмом излучении, рассчитанные путем перемножения показателя поглощенной дозы и особого коэффициента, который называют относительным биологическим коэффициентом эффективности (ОБЭ). Но также он часто именуется как коэффициент качества.
Единицы поглощенной дозы излучения эквивалентного типа измеряются в СИ, а именно в зивертах (Зв). Один Зв равен соответствующей дозе какого-либо излучения, которое поглощается одним килограммом ткани биологического происхождения и вызывает эффект равный воздействию 1 Гр излучения фотонного типа. Бэр - используют в качестве внесистемного измерительного показателя биологической (эквивалентной) поглощенной дозы. 1 Зв соответствует ста бэрам.
Эффективная форма дозы
Эффективная доза - это показатель величины, которым пользуются как мерой риска появления дальних последствий человеческого облучения, его отдельных частей организма начиная от тканей и заканчивая органами. При этом учитывается его индивидуальная радиочувствительность. Поглощенная доза излучения равна произведению биологической дозы в частях организма на определенный взвешиваемый коэффициент.
Разные человеческие ткани и органы имеют отличающуюся радиационную восприимчивость. Некоторые органы могут при одном значении эквивалентного показателя поглощенной дозы подвергаться появлению рака вероятнее, чем другие, например, шанс такой болезни в щитовидной меньше, чем в легких. Потому человек пользуется созданным коэффициентом радиационного риска. КРР - это средство для определения дозы и-ния воздействующей на органы или ткани. Суммарный показатель степени влияния на организм эффективной дозы рассчитывается умножением числа соответствующего биологической дозе на КРР конкретного органа, ткани.
Понятие о коллективной дозе
Существует понятие о групповой дозе поглощения, что является суммой индивидуального множества эффективных значений дозы в конкретной группе субъектов за определенный временной промежуток. Расчеты можно произвести для любых населенных пунктов, вплоть до государств или целых материков. Для этого умножают среднюю эффективную дозу и общее число субъектов, подверженных воздействию излучения. Измеряют такой показатель поглощенной дозы при помощи человеко-зиверта (чел-Зв.).
Помимо вышеупомянутых форм поглощенных доз, выделяют еще: коммитментную, пороговую, коллективную, предотвращаемую, предельно допустимую, биологическую дозу гамма-нейтронного типа излучения, летально-минимальную.
Сила воздействия дозы и единицы измерения
Показатель интенсивности облучения - подстановка конкретной дозы под влияние определенного излучения за временную измерительную единицу. Этой величине присуща разность дозы (эквивалентной, поглощенной и др.) деленной на единицу измерения времени. Существует множество специально созданных единиц.
Поглощенная доза излучения определяется по формуле подходящей конкретному излучению и типу поглощаемого количества излучения (биологическому, поглощенному, экспозиционному и т.д.). Существует множество способов их вычисления, основанных на разных математических принципах, и используются различные измерительные единицы. Примерами измерительных единиц служат:
- Интегральный вид - грей-килограмм в СИ, вне системы измеряется в рад-граммах.
- Эквивалентный вид - зиверт в СИ, вне системы измеряется - в бэрах.
- Экспозиционный вид - кулон-килограмм в СИ, вне системы измеряется - в рентгенах.
Существуют и другие измерительные единицы, соответствующие иным формам поглощенной дозы излучения.
Выводы
Анализируя данные статьи, можно заключить, что существует множество видов, как самого ионизирующего и-ния, так и форм его воздействия на вещества живой и неживой природы. Все они измеряются, как правило, в системе единиц СИ, и каждому виду соответствует определенная системная и несистемная измерительная единица. Источник их может быть самым разнообразным, как природным, так и искусственным, а само излучение играет важную биологическую роль.