Радиометрия и дозиметрия ионизирующих излучений. Методы и средства обнаружения и регистрации ионизирующих излучений. Расчет доз при внешнем и внутреннем облучении.

4.1. Понятие о дозе излучения, виды доз, мощность дозы, единицы 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 поступающего в организм 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 такое понятие, как «доза» излучения - величина энергии, поглощенная в единице объема (массы) облучаемого вещества.

Различают дозу в воздухе, дозу на поверхности (кожная доза) и в глубине облучаемого объекта (глубинная доза), очаговую и интегральную (общая поглощенная доза) дозы.

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 трудно. В связи с этим для количественной характеристики рентгеновского и гамма-излучений, действующих на объект, определяют так называемую экспозиционную дозу D_о, которая характеризует ионизирующую способность рентгеновских и гамма-лучей 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 (кило) до 3 МэВ.

За единицу экспозиционной дозы в Международной системе единиц (СИ) принят кулон на килограмм (Кл/кг), т, е. такая экспозиционная доза рентгеновских и гамма-лучей, при которой в 1 кг сухого воздуха образуются ионы, несущие заряд в один кулон электричества каждого знака.

На практике применяют внесистемную единицу - рентген (1 Р = 2,58 * 10^-4 Кл/кг) принятую в 1928 г.

Рентген (Р) — экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см³ воздуха (0,001293 г сухого воздуха) при нормальных условиях(0 С^о и 1013 ГПа) образуется 2,08*10⁹ пар ионов

Поскольку на образование одной пары ионов в воздухе в среднем затрачивается 34 эВ, то энергетический эквивалент рентгена в 1 см³ воздуха составляет 2,08 * 10⁹ * 34=7,08 *10⁴ МэВ = 0,114 эрг/см³, или в 1 г воздуха 88 эрг (0,114/0,001293 = 88 эрг).

Производные единицы рентгена: килорентген (1 кР = 10³Р), миллирентген (1 мР = 10^-3 Р), микрорентген (1 мкР=10 ^-6Р).

В радиобиологии широкое применение получила внесистемная международная единица поглощенной дозы, которая рекомендована Международным конгрессом радиологов в 1953 г. и получила широкое применение в практике.

Единица рад (rad- radiation absorbent doze) — поглощенная доза любого вида ионизирующего излучения, при которой в 1 г массы вещества поглощается энергия излучения, равная 100 эрг (1 рад = 100 эрг/г = 10^-2 Дж/кг). Производные единицы рад:

килорад (1 крад = 10 ³рад),

миллирад (1 мрад = 10^-3 рад),

микрорад (1 мкрад= 10^-6 рад).

За единицу поглощенной дозы в Международной системе единиц (СИ) принят джоуль на килограмм (Дж/кг), т. е. такая поглощенная доза, при которой в 1 кг массы облученного вещества поглощается 1 Дж энергии излучения. Этой единице присвоено наименование грей (Гр), 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Эквивалентной единицей поглощенной дозы является зиверт (Зв).

Поскольку 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 измеряют в радах расчетным путем по формуле:

Dрад = D_pf

где Dрад — поглощенная доза, рад; D_p— экспозиционная доза в той же точке, f— переходный коэффициент, значение которого зависит от энергии излучения и от рода поглощающей ткани (атомного номера и плотности).

Если в воздухе доза излучения в 1 Р энергетически эквивалентна 88 эрг/г, то поглощенная энергия для этой среды составит 88:100 = 0,88 рад. Таким образом, для воздуха поглощенная доза, равная 0,88 рад, соответствует экспозиционной дозе в 1 Р.

Переходный коэффициент обычно определяют опытным путем. Для воды и мягких тканей коэффициент 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 f_k = 2-5.

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

Р=D/t; P= D/t

Чем больше мощность дозы Р, тем быстрее растет доза излучения D.

Понятие мощности дозы относится как к экспозиционной, так и к поглощенной дозе.

Для экспозиционной дозы (система Си): ампер на килограмм (А/кг),

внесистемная единица — рентген в час (Р/ч) или рентген в минуту (Р/мин) и т. д. Для поглощенной дозы соответственно: ватт на килограмм (Вт/кг), внесистемные единицы—рад в час (рад/ч), рад в минуту (рад/мин) и т. д.

Установлено, что биологическое действие одинаковых доз различного вида излучения на организм неодинакова

Эго связано с удельной ионизацией излучения. Чем выше удельная ионизация, тем больше коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ\ или коэффициент качества (КК) Коэффициент ОБЭ (КК показывает, во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем рентгеновского или гамма-излучения при одинаковой поглощенной дозе в тканях.

Для оценки биологической эффективности различных видов излучения введены биологический эквивалент рентгена (бэр) и биологический эквивалент рада (бэрад), т.е. биологическая доза.

Единица бэр - это доза любого ядерного излучения, при которой в биологической среде создается такой же биологический эффект, как при дозе рентгенового или гамма-излучения в 1 Р,;бэрад - поглощенная доза любого вида излучения которая по своему биологическому действию эквивалентна 1 раду рентгенового или гамма-излучения. Производные эквивалентные дозы:

Килобэрад (кбэрад) = 10³ бэрад,

миллибэр (мбэрад) = 10 ^-3бэрад,

микробэр (мкбэрад) = 10^-6 бэрад.

Биологические дозы в бэрад численно равняются произведению поглощенной дозы на коэффициент ОБЭ (относительный биологический эффект).

D бэрад= Dрад • ОБЭ.

ОБЭ нельзя пока считать достаточно точным его применение ограничивается определением норм защиты от тотального (общего) облучения. Пример: Рассчитать экспозиционную (физическую) и эквивалентную поглощенную дозу от смешанного источника излучения, если доза от гамма- излучения 1 рад, бета-излучения 10 рад, альфа - излучения — 1рад и быстрых нейтронов -1рад.

D_эΣ=1+10*1+1+1+1=13 рад

Dэкв= 1*1+10*1+1*100+1*10=31 бэрад

Следовательно суммарный эквивалент дозы в 2 с лишнем раза больше физической.