Основные физические величины дозиметрии

 

Первопричиной радиационных эффектов является поглощение энергии излучения облучаемым объектом, и доза, как мера поглощенной энергии, является основной дозиметрической величиной. Поэтому, основной физической дозиметрической величиной, используемой для оценки меры воздействия излучения на среду, является поглощенная доза излучения.

Поглощенная доза излучения (D) - это величина определяемая энергией излучения (Дж) поглощаемой единицей массы (кг) облучаемого вещества. За единицу дозы в системе СИ принят грей (Гр):

 

D = 1Дж/1кг=1 Гр.

 

Грей это такая доза ионизирующего излучения, при которой участку вещества массой 1 кг передается энергия 1 Дж. Внесистемной единицей является "рад". 1 рад = 0,01 Гр.

Поглощенная доза характеризует не само излучение, а степень воздействия его на среду. В принципе один и тот же поток излучения в различных средах и даже в различных участках одной среды может сформировать различную величину поглощенной дозы. Поэтому, когда говорят о поглощенной дозе, необходимо указывать, в какой среде она сформирована: в воздухе, воде или мягкой биологической ткани.

Для характеристики распределения дозы облучения во времени используют величину мощности поглощенной дозы, или интенсивности облучения. Под этим понимают количество энергии излучения, поглощаемое в единицу времени единицей массы облучаемого вещества (Гр/час; Гр/год).

При практическом использовании излучений человек, исключая специальные случаи медицинских воздействий и радиационные аварии, подвергается воздействию малых доз облучения. Условия работы профессионалов в настоящее время чаще всего отвечают ситуации, когда чувствительные мишени клеток их организма единичных треков ионизирующих частиц, формирующих дозу облучения, существенно больше того времени, на протяжении которого работают репаративные (восстановительные) системы клеток, устраняющие нарушения, вызванные прошедшей частицей.

В этих условиях индуцируемые биологические эффекты не зависят от таких факторов, как мощность дозы, ее распределение, условия и ритм облучения. Выход эффектов определяется только суммарной накопленной дозой (независимо от времени облучения), т.е. последствия облучения будут одинаковыми при однократном облучении данной дозой, либо при ее получении в течение нескольких дней, месяцев и даже года. На степень выраженности эффекта будет влиять только пространственное распределение актов ионизации и возбуждения, создаваемых в треках, т.е. линейной передачи энергии (ЛПЭ) ионизирующего излучения. Поэтому, для таких условий введена специальная величина дозы, учитывающая оба этих фактора - эквивалентная доза. Этой величиной можно однозначно связать выход радиационных последствий облучения с дозой облучения.

Эквивалентная доза (Н) определяется как произведение поглощенной дозы (D) данного вида излучения на среднее значение взвешивающего фактора (коэффициента качества) ионизирующего излучения (W_R) в данном элементе- объема биологической ткани. Значения W_R для различных видов излучений представлены в таблице 1. Эта доза есть мера выраженности стохастических эффектов облучения. Она применима для оценки радиационной опасности хронического облучения излучением произвольного состава (и острого облучения дозой, менее 0,25 зиверт) и определяется по формуле:

Н = D • W_R

 

За единицу эквивалентной дозы в системе СИ принят зиверт (Зв). Зиверт равен такой эквивалентной дозе, при которой, величина произведения поглощенной в биологической ткани дозы ионизирующего излучения на среднее значение взвешивающего фактора для этого излучения равна 1 Дж/кг. Внесистемной единицей является "бэр" (биологический эквивалент рентгена).

 

1 бэр = 0,01 Зв.

 

Из определения следует, что для излучения с W_R = 1, эквивалентная доза 1 Зв реализуется при поглощенной дозе 1 Гр, т.е. для этого случая 1 Зв = 1 Гр. Если же W_R отлично от 1, то эквивалентная доза 1 Зв будет сформирована в биологической ткани при величине поглощенной дозы в ней равной (1/W_R) Гр. Допускается суммирование эквивалентных доз для оценки общего уровня облучения за длительный промежуток времени, если каждая разовая доза, имевшая место при фракционированном остром облучения за это время не превышала 0,25 Зв.

 

Таблица 1 - Значения радиационных взвешивающих факторов (W_R)

 

Вид излучения и диапазон энергии	WR
Фотоны, все энергии (включая гамма- и рентгеновское излучение)
Электроны (позитроны) и мюоны, все энергии
Протоны с энергией > 2 МэВ
Нейтроны с энергией < 10 кэВ
Нейтроны с энергией от 10 кэВ до 100 кэВ
Нейтроны с энергией от 100 кэВ до 2 МэВ
Нейтроны с энергией от 2 МэВ до 20 МэВ
Нейтроны с энергией > 20 МэВ
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра отдачи

 

 

Для смешанного излучения эквивалентная доза определяется как сумма произведений поглощенных доз отдельных видов излучений на соответствующие значения взвешивающих факторов этих излучений.

При заданной эквивалентной дозе облучения вероятность выхода стохастических последствий зависит от облучаемой им ткани или органа. Поэтому, введен еще один коэффициент, учитывающий специфику различных тканей с точки зрения вероятности индукции в них стохастических последствий облучения - тканевый взвешивающий фактор (W_T). Принятые в настоящее время значения W_T представлены в таблице 2 и используются исключительно для расчета эффективной дозы. Тканевые взвешивающие факторы введены, исходя из концепции беспорогового действия излучений, а их величины соответствуют выходу стохастических последствий для различных органов и тканей, полученному на основе линейной экстраполяции имеющихся данных из области больших доз облучения (поскольку реальный выход стохастических последствий в области малых доз неизвестен).

 

Таблица 2 - Значения тканевых взвешивающих факторов (W_T)

 

Ткань или орган	WT
Гонады (половые железы)	0.20
Красный костный мозг	0.12
Толстая кишка	0.12
Легкие	0.12
Желудок	0.12
Мочевой пузырь	0.05
Молочная железа	0.05
Печень	0.05
Пищевод	0.05
Щитовидная железа	0.05
Кожа	0.01
Костная поверхность	0.01
Остальные ткани и органы (надпочечники, почки, головной мозг, дыхательные пути внегрудной области, мышцы, матка, селезенка, тонкая кишка, поджелудочная и вилечковая железы)	0.05
Все тело	1.00

 

В отличии от стохастических эффектов, не стохастические (детерминированные) проявляются только при получении определенных доз (табл.3).

 

Таблица 3 - Значение доз, ниже которых исключено возникновение не стохастических (детерминированных) эффектов

 

Орган, ткань	Не стохастический (детерминированный) эффект	Доза, Гр
Все тело	Рвота	0,5
Костный мозг	Смерть	1,0
Кожа	Ожог, временная эпиляция	3,0
Легкие	Пневмония	5,0
Легкие	Смерть
Щитовидная железа	Нарушения, деструкция железы

 

 

Абсолютные значения факторов подобраны так, чтобы их суммарная величина равнялась единице. Это позволяет трактовать тканевые взвешивающие факторы как набор коэффициентов, определяющих относительные вклады соответствующих органов в суммарный выход стохастических последствий, возникающих при равномерном облучении всего организма. Самым радиочувствительным органом по критерию выхода этих последствий являются половые железы, полностью ответственные за генетические эффекты и часть соматических стохастических последствий облучения.

Физический смысл понятия эффективной дозы следующий: значение эффективной дозы (Е) соответствует такому уровню равномерного облучения всего организма, при котором суммарный выход стохастических последствий облучения у него будет таким же, как и в случае локального облучения органа (Т) эквивалентной дозой величины (Н):

 

Е = Н • W_T

 

За единицу эффективной дозы в системе СИ тоже был принят зиверт (Зв). При равномерном облучении - эффективная доза равна эквивалентной дозе. При неравномерном облучении - эффективная доза равна произведению эквивалентной дозы на тканевый взвешивающий фактор, или равна такой эквивалентной дозе (при равномерном облучении), которая создает такой же риск неблагоприятных последствий.

Измерить эффективную дозу облучения организма невозможно. Ее рассчитывают как сумму произведений эквивалентных доз (Н) в отдельных органах и тканях на соответствующие значения взвешивающих факторов (W_T) указанных в таблице 2.

Эффективная доза представляет собой меру выхода стохастических последствий биологического действия малых доз облучения на данного индивида, т.е. она есть мера индивидуальной опасности, обусловленной действием на организм малых доз ионизирующих излучений.

Для фотонного излучения введена специфическая величина в дозиметрии - экспозиционная доза. Численно она равна абсолютному значению полного заряда ионов одного знака, образованных в единице массы воздуха при полном торможении электронов и позитронов, освобожденных фотонами (рентгеновским излучением). То есть, это воздухоэквивалентная единица дозы, которая не предназначена для дозиметрии в веществе.

Единицей измерения экспозиционной дозы в системе СИ является кулон/кг (Кл/кг), внесистемной единицей является рентген (Р).

 

1 Р = 2,58 • 10^-4 Кл/кг (точно).

 

Экспозиционную дозу можно использовать для приближенной оценки поглощенной и экспозиционной доз в веществе (табл. 4).

 

Таблица 4 - Пересчет доз для гамма-излучения (мышцы)

 

Величина	Система	Единица	Пересчет в:
Экспозиционная доза	СИ	Кл/кг	Поглощенную 1 P ~ 0,0091 Гр ~0,96 рад
Внесистемная	Р	Эквивалентную 1 Р ~ 0,0091 Зв ~0,91 бэр
Поглощенная доза	СИ	Гр	Экспозиционную 1Гр = 100 рад ~110 Р
Внесистемная	рад	Эквивалентную 1 Гр = 1 Зв=100 бэр
Эквивалентная доза	СИ	Зв	Экспозиционную 1 Зв ~110 Р
Внесистемная	бер	Поглощенную 1 Зв = 100 бэр = 1 Гр