Понятие о радиометрии и дозиметрии, их цели и задачи.
Дозиметрия (от греч. dosis — доза, порция; metro — измерять) — измерение рассеяния и поглощения энергии ионизирующего излучения в определенном материале. Доза излучения строго зависит от энергии и вида падающего излучения, а также от природы поглощающего материала.
Виды дозиметрии. В зависимости от целей и задач дозиметрия бывает нескольких видов.
1. Индивидуальная дозиметрия — это дозиметрия уровня облучения персонала и всего населения. Сюда входят:
* повседневный радиационный контроль (от 10–3 до 10 бэр);
* аварийная дозиметрия (от 1 до 5000 рад);
* дозиметрия в условиях ядерной войны (от 10 до 1000 бэр);
* дозиметрия при космических полетах (от 10–3 до 1000 бэр);
* дозиметрия естественного излучения (от 10–4 до 10–3 бэр).
2. Клиническая дозиметрия при лечении и диагностике заболеваний (от 1 до 104 рад).
3. Дозиметрия в радиобиологии (от 1 до 107 рад).
4. Дозиметрия в радиационной технике:
* радиационная химия (от 103 до 108 рад);
* лучевая стерилизация (2,5-106 рад);
* облучение продуктов питания (от 103 до 5*106 рад).
5. Внутриреакторная дозиметрия (от 104 до 109 рад, от 107 до 1014 нейтр/с/см2).
При проведении дозиметрии существует ряд трудностей:
- большой диапазон измеряемых доз (от 10–3 до 109 рад); необходимость регистрации и дозиметрии различных видов излучений;
- широкий спектральный состав излучения, то есть диапазоны энергий от 5 кэВ до 100 МэВ.
Критерии при создании дозиметрической системы:
+ чувствительность дозиметра, то есть нижний предел измеряемой дозы;
+ зависимость чувствительности от энергии излучения;
+ погрешность измерения (у большинства дозиметров в зависимости от класса точности ошибка составляет от 4 до 20%);
+ возможность конструктивного решения, то есть возможность оформления дозиметра;
+ возможность регистрации различных видов излучения.
Радиометрия (от греч. radio — луч, metro — измерять)— обнаружение и измерение числа распадов атомных ядер в радиоактивных источниках либо некоторой доли их по испускаемому ядрами излучению.
Доза излучения, их виды и мощность. Единицы измерения доз и мощности дозы.
Доза излучения и единицы ее измерения.
Биологическое действие рентгеновского и ядерных излучений на организм обусловлено ионизацией и возбуждением атомов и молекул биологической среды. На процесс ионизации излучения расходуют свою энергию. В результате взаимодействия излучений с биологической средой живому организму передается определенное количество энергии. Часть излучения, которое пронизывает облучаемый объект (без поглощения), действия на него не оказывает. Поэтому основная физическая величина, характеризующая действие излучения на организм, находится в прямой зависимости от количества поглощенной энергии.
Для измерения количества поглощенной энергии введено понятие «доза излучения», т. е. величина энергии, поглощенная в единице объема (массы) облучаемого вещества.
Доза излучения (экспозиционная доза). Так как поглощенная энергия расходуется на ионизацию среды, то для измерения ее необходимо подсчитать число пар ионов, образующихся при излучении. Однако измерить ионизацию непосредственно в глубине тканей живого организма трудно. Поэтому для количественной характеристики рентгеновского и гамма-излучений, действующих на объект, определяют так называемую экспозиционную дозу (Dэксп), которая характеризует ионизирующую способность рентгеновских и гамма-лучей в воздухе.
Экспозиционная доза (Dэксп)— это количественная характеристика ионизирующей способности рентгеновского или
γ-излучения в воздухе, измеренная по количеству образованных зарядов (пар ионов) в воздухе.
От экспозиционной дозы с помощью соответствующих коэффициентов переходят к дозе, поглощенной в объекте.
Экспозиционную дозу определяют по ионизирующему действию излучения в определенной массе воздуха и только при значениях энергии рентгеновских и гамма-лучей в диапазоне от десятков кэВ до 3 МэВ.
Единица экспозиционной дозы в Международной системе единиц (СИ) - кулон на килограмм (Кл/кг), т. е.
такая экспозиционная доза рентгеновских или гамма-лучей, при которой в 1 кг сухого воздуха образуются ионы, несущие заряд в один кулон электричества каждого знака.
Несистемная единица экспозиционной дозы - рентген. Рентген (Р)— экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см3 воздуха при нормальных условиях (00С и 1013 ГПа) образуется 2,08-109 пар ионов.
Производные единицы рентгена:
килорентген (1 кР = 103 Р), миллирентген (1 мР = 10–3 Р), микрорентген (1 мкР = 10–6 Р).
Для характеристики распределения во времени экспозиционной (а также любой другой) дозы используют величину мощности дозы. Тогда расчет ведется на единицу времени.
Доза облучения (поглощенная доза). Степень, глубина и форма лучевых поражений, развивающихся в биологических объектах при воздействии на них ионизирующего излучения, в первую очередь зависит от величины поглощенной энергии излучения. Для характеристики этого показателя используют понятие «поглощенная доза», т. е. энергия излучения, поглощенная в единице массы облучаемого вещества.
Доза поглощенная (Dп )— это величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу
При одной и той же энергии гамма-квантов и частиц в 1 г биологической ткани, разной по химическому составу, поглощается различное количество энергии, поглощенную в тканях дозу определяют в радах расчетным путем по формуле:
Переходный коэффициент (f) обычно определяют опытным путем.
Для воды и мягких тканей коэффициент fтк округленно принят за единицу (фактически он составляет 0,93). Следовательно, поглощенная доза в радах численно почти равна соответствующей экспозиционной дозе в рентгенах. Для костной ткани коэффициент fк = 2...5.
В настоящее время широко применяются понятия: эквивалентная доза, эффективная доза.
Эквивалентная доза.
Эквивалентная доза Н — поглощенная доза в органе или ткани Dп, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент Q для данного вида излучения:
Понятие качества излучения выражает его способность производить различные радиационные эффекты в зависимости от сорта частиц и от ЛПЭ. С возрастанием плотности ионизации меняется степень повреждения живых систем.
Поэтому в целях противорадиационной защиты используется коэффициент качества (КК) излучения. Такой «фактор качества» (ныне принято выражать его в виде «взвешивающих коэффициентов») является регламентированной величиной, его значения определены специальными комиссиями и включены в международные и национальные нормы, предназначенные для контроля радиационной опасности. КК зависит только от интервала значений ЛПЭ, а его детализация в виде взвешивающих коэффициентов зависит также от того, какой орган или часть тела подвергается облучению.
Если идет облучение различными видами излучения одновременно, то эквивалентная доза равна сумме поглощенных доз от каждого вида излучения, умноженной на средний коэффициент качества:
где
i
– вид излучения
Значения коэффициентов Q для разных видов излучения:
рентгеновское, гамма- и бета-излучения — 1;
альфа-частицы, протоны — 10;
нейтроны: медленные (тепловые)— 3...5; быстрые — 10; тяжелые ядра отдачи — 20.
В системе СИ за единицу эквивалентной дозы принят Зиверт (Зв).
Внесистемная единица эквивалентной дозы биологический эквивалент рада — бэр. Как и для поглощенной дозы, его эквивалентом является 1 Дж/кг (1 бэр = 1-10–2 Дж/кг).
В практике используют дольные единицы:
миллибэр(1 мбэр = 1-10–3 бэр),
микробэр (1 мкбэр = 1-10–6 бэр),
нанобэр (1 нбэр = 1-10–9 бэр).
Эффективная доза облучения. При общем однократном облучении организма разные органы, ткани, органеллы и макромолекулы обладают различной чувствительностью к действию радиации. Так, при одинаковой эквивалентной дозе риск генетических повреждений наиболее вероятен при облучении репродуктивных органов и т. п. Поэтому понятно, что дозы облучения отдельных элементов живых систем также следует рассчитывать с учетом взвешивающих коэффициентов для оценки радиочувствительности биологических систем.
Эффективная доза Е — это величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она представляет собой сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты для данного органа или ткани:
Значения взвешивающих коэффициентов для различных органов и тканей при расчете эффективной дозы:
гонады—0,2;
костный мозг (красный) — 0,12;
тонкая кишка — 0,12;
легкие— 0,12;
желудок — 0,12;
мочевой пузырь - 0,05;
печень—0,05;
пищевод — 0,05;
щитовидная железа — 0,05;
кожа — 0,01.
Эффективные дозы измеряются так же, как и эквивалентные, в берах и зивертах.
В практике используется понятие мощности дозы (поглощенной, эквивалентной, эффективной) — доза, отнесенная к единице времени.
Мощность дозы и единицы ее измерения. В биологическом отношении важно знать не просто дозу излучения,
которую получил облучаемый объект, а дозу, полученную в единицу времени. В одном случае суммарная доза, значительно превышающая смертельную, но полученная в течение длительного периода времени, не только не приведет к гибели животного, но даже не вызовет у него реакцию лучевого поражения. В другом случае доза меньше смертельной, но полученная в короткий отрезок времени, может вызвать лучевую болезнь различной тяжести. В связи с этим введено понятие мощности дозы.
Мощность дозы (Р)— это доза излучения D, отнесенная к единице времени t:
Чем больше мощность дозы Р, тем быстрее растет доза излучения D.
P.S. Значения мощности указаны в таблицах выше после каждой дозы.
Если уровень радиации во времени не изменяется, то произведение величины уровня радиации на продолжительность
облучения дает дозу облучения.
При заражении местности продуктами ядерного взрыва или в результате аварий на атомных предприятиях уровень
радиации непрерывно снижается во времени, так как выпадают на местность и образуются из дочерних нуклидов изотопы с разным периодом полураспада.
В результате распада короткоживущих изотопов уровень радиации сначала быстро снижается, а затем уменьшение его постепенно замедляется.
Плотность радиоактивного загрязнения – степень заражения радиоактивными веществами поверхностей, выраженная в кБк/м2.
Концентрация радиоактивного загрязнения – содержание радиоактивных в-в в единице объема продукта (Бк/кг, л).
Измерять активность источника радиоактивного заражения в беккерелях или кюри довольно сложно. Поэтому часто
степень радиоактивного заражения измеряют в единицах мощности дозы гамма-излучения (мЗв/ч, мкЗв/ч). В этих же
единицах выражены допустимые уровни заражения поверхностей, а также продовольствия, кормов, воды.