Дозовые характеристики поля ионизирующего излучения

Весь процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида называется радиоактивным распадом, а сам такой нуклид – радионуклидом. Но хотя все радионуклиды нестабильны, одни из них более нестабильны, чем другие. Например, протактиний-234 распадается почти моментально, а уран-238 очень медленно. Половина всех атомов урана-238 превратится в торий-234 за четыре с половиной миллиарда лет. Время, за которое распадается в среднем половина всех радионуклидов данного типа в любом радиоактивном источнике, называется периодом полураспада соответствующего изотопа. Этот процесс продолжается непрерывно. За время, равное одному периоду полураспада, останутся неизменными каждые 50 атомов из 100, за следующий аналогичный промежуток времени 25 из них распадутся и так далее.

Повреждений, вызванных в живом организме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям; количество такой переданной организму энергии называется дозой. Количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела (тканями организма), называется поглощенной дозой.

В табл. 1 показаны периоды полураспада различных нуклидов.

Таблица 1

Периоды полураспада (α-; β- излучения)

Вид излучения	Нуклид	Период полураспада
α	Уран-238	4,47 млрд лет
α	Торий-234	21,4 суток
β	Проактиний-234	1,17 минут
α	Уран-234	245000 лет
α	Торий-230	8 000 лет
α	Радий-226	1 600 лет
α	Радон-222	3,823 суток
α	Полоний-218	3,05 минут
β	Свинец-214	26,8 минут
β	Висмут-214	19,7 минут
α	Полоний-214	0,000164 секунды
β	Свинец-210	22,3 лет
β	Висмут-210	5,01 суток
α	Полоний-210	134,8 суток
	Свинец-206	стабильный

Повреждений, вызванных в живом организме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям; количество такой переданной организму энергии называется дозой. Количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела (тканями организма), называется поглощенной дозой.

Число распадов в секунду в радиоактивном образце называется его активностью.

Активность радионуклида в источнике (образце)

А – отношение числа dN спонтанных ядерных превращений, происходящих в источнике (образце) за интервал времени dt, к этому интервалу:

A = dN/dt.

Единица активности радионуклида в системе СИ- беккерель (Бк). Беккерель равен активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время t с происходит один спонтанный распад.

Внесистемная единица активности - кюри (Ки). Кюри равен активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1с происходит 3,700×10¹⁰ спонтанных переходов ядерно-энергетического состояния радионуклида:

1 Ки = 3,700×10¹⁰.

Отношение активности радионуклида в источнике (образце) к массе, объему, количеству вещества, площади поверхности (для поверхностных источников) или к длине (для линейных источников) источника (образца) называется удельной Аmol, поверхностной Аs или линейной АL активностью источника (образца) соответственно.

Для оценки поля фотонного излучения при использовании внесистемных единиц применяют понятие «экспозиционная доза».

Экспозиционная доза Х – это количественная характеристика фотонного излучения, которая основана на его ионизирующем действии в сухом атмосферном воздухе и представляет собой отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе, к массе воздуха в объеме dm:

X=dQ/dm.

Вследствие близости эффективных атомных номеров воздуха и ткани воздух для фотонного излучения принято считать тканеэквивалентной средой.

Единица экспозиционной дозы в системе СИ – кулон на килограмм (Кл/кг).

Кулон на килограмм равен экспозиционной дозе, при которой все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в объеме воздуха массой 1кг, производят в воздухе ионы, несущие электрический заряд каждого знака 1Кл.

Внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р). Рентген – это единица экспозиционной дозы фотонного излучения, при прохождении которого через 0,001293 г воздуха в результате завершения всех ионизационных процессов в воздухе создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака. Заметим, что величина 0,001293 г – это масса 1 см³ атмосферного воздуха при нормальных условиях (температура О°С и давление 1013 гПа (760 мм рт. ст.). Соотношение внесистемной единицы СИ.

1Р=2,58 × Ю^-4 Кл/кг.

Основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия, является поглощенная доза ионизирующего излучения.

Поглощенная доза ионизирующего излучения D – отношение средней энергии dW, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме

D=dW/dm.

ГОСТ допускает вместо термина «поглощенная доза излучения» использовать краткую форму «доза излучения».

Единица поглощенной дозы в системе СИ – грей (Гр). Грей равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1кг передается энергия ионизирующего излучения, равная 1Дж.

Внесистемной единицей поглощенной дозы ионизирующего излучения является рад (рад). Рад равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1г передается энергия ионизирующего излучения, равная 100 эрг. Таким образом, 1 рад=0,01Гр.

В задачах радиационной безопасности при хроническом облучении человека в малых дозах (в дозах, не превышающих пяти предельно допустимых годовых доз при облучении всего тела человека) основной величиной для оценки биологического действия из­лучения любого состава является эквивалентная доза.

Эквивалентная доза ионизирующего излучения Н – произведение поглощенной дозы D на средний коэффициент качества излучения в данном объеме биологической ткани стандартного состава

Н = kD,

где к – средний коэффициент качества.

Коэффициент качества представляет собой регламентированное значение неблагоприятных биологических последствий облучения человека в малых дозах (табл. 2).

Единица эквивалентной дозы в системе СИ – зиверт (Зв).

Зиверт равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на средний коэффициент качества равно 1Дж/кг. Иными словами, зиверт – единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1Гр рентгеновского или γ-излучения.

Внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рад). Бэр – единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологической ткани, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1рад рентгеновского или γ-излучения.

Таким образом, 1 бэр = 0,01 Зв.

Мощность поглощенной дозы D (мощность экспозиционной дозы X, мощность эквивалентной дозы Н) – это отношение приращения поглощенной дозы dD (экспозиционной дозы dX, эквивалентной дозы dH) за интервал времени dt к этому интервалу:

D=dD/dt; X=dX/dt; H=dH/dt.

Таблица 2

Рекомендуемые значения К для излучений различных видов с неизвестным энергетическим составом

Вид излучения	к
Рентгеновское и γ- излучение, электроны, позитроны, β-излучение
Нейтроны с энергией меньше 20 кэВ
Нейтроны с энергией 0,1-10 МэВ
Протоны с энергией меньше 10 МэВ
α-излучение с энергией меньше 10 МэВ
Тяжелые ядра отдачи

 

Величины D, X, H могут быть как постоянными, так и изменяться во времени по некоторому закону. Их единицы – частные от деления единиц поглощенной дозы (кермы, экспозиционной дозы, эквивалентной дозы) или их кратных или дольных единиц на соответствующую единицу времени.

В последние годы для случаев неравномерного облучения разных органов или тканей тела человека введено понятие эффективной эквивалентной дозы Нe.

Для определения этой величины необходимо ввести понятие риска. Риск - вероятность возникновения неблагоприятных последствий для человека (смерть, травматизм, заболевание и т. п.) вследствие облучения, аварии или другой причины, проявление которой носит стохастический характер. Например, риск смерти от курения Г^k=5-10^-4 случаев/(чел.-год). Это означает, что на 10 000 курящих каждый год умирает от болезней, вызываемых курением, 5 человек.

Эффективная эквивалентная доза

H=ΣwH,

где Нт – эквивалентная доза в Т-м органе или ткани; wT – взвешивающий фактор, представляющий собой отношение стохастического риска смерти в результате облучения Т-го органа или ткани к риску смерти от равномерного облучения всего тела при одинаковых эквивалентных дозах (табл. 3).

Таким образом, w определяет весовой вклад данного органа или ткани в риск неблагоприятных последствий для организма при равномерном облучении

Σw=1.

При равномерном облучении всего организма эквивалентная доза в каждом органе или ткани одна и та же НT=Н и, следовательно, Нe=Н.

Таблица 3

Взвешивающие факторы W_T и риск смерти от злокачественных опухолей и наследственных дефектов в результате облучения для 1 человека при эквивалентной дозе 1 Зв гт для задач радиационной защиты

Орган или ткань	Заболевание	Г,10^-2 1/чел. × Зв	Wт
Гонады	Наследственные дефекты	0,40	0,25
Молочная железа	Рак	0,25	0,15
Красный костный мозг	Лейкемия	0,20	0,12
Легкие	Рак	0,20	0,12
Щитовидная железа	Рак	0,05	0,03
Поверхность кости	Злокачественные новообра­зования	0,05	0,03
Все другие органы	То же	0,50"	0,30"
Из них на каждый		0,10	0,06
Всего		1,65	1,00

* У первых двух поколений потомства облученных лиц.

** Эта величина распределяется между пятью оставшимися органами и тканями, которые получили самую высокую эквивалентную дозу.

 

Таким образом, эффективная эквивалентная доза при неравномерном по органам и тканям облучении равна такой эквивалентной дозе при равномерном облучении всего организма, при которой риск неблагоприятных последствий будет таким же, как и при данном неравномерном облучении.

Единицы эффективной эквивалентной дозы совпадают с единицами эквивалентной дозы.

В условиях возможного облучение больших контингентов людей представляется важным уметь определять общий риск, обусловленный обучением от всех источников, и роль в этом каждого из источников. Для такой оценки полезной величиной является коллективная эквивалентная доза.

Коллективная эквивалентная доза S – сумма индивидуальных эквивалентных доз Hi у данного контингента людей:

S=ΣHNi,

где Ni – число лиц среди данного контингента, получивших эквивалентную дозу Hi. Единицей измерения контингента, получивших эквивалентную дозу Hi. Единицей измерения коллективной дозы в системе СИ является чел.×Зв (или чел.×бэр).

Если известен характер распределения индивидуальных доз, то

S=∫HN(H)dH,

Поскольку ∫N(H)dH = N – общее число людей в исследуемой группе, то S = Н×N.

Использование коллективной эквивалентной дозы для определения выхода неблагоприятных исходов, обусловленных облучением от того или иного источника, дает возможность оценить вклад каждого из источников и на этой основе найти оптимальное решение с точки зрения радиационной безопасности.

Разумеется, если доза облучения достаточно велика, облученный человек погибнет. Во всяком случае, дозы облучения порядка 100 Гр вызывают настолько серьезное поражение центральной нервной системы, что смерть, как правило, наступает в течение нескольких часов или дней.

При дозах облучения от 10 до 50 Гр при облучении всего тела поражение центральных органов может оказаться не настолько серьезным, чтобы привести к летальному исходу, однако облученный человек, все равно умрет через одну – две недели от кровоизлияний в желудочно-кишечном тракте. При еще меньших дозах может не произойти серьезных нарушений желудочного тракта или организм с ними справится, но смерть может наступить через один - два месяца, с момента облучения главным образом из-за разрушения клеток красного костного мозга – главного компонента кроветворной системы организма: от дозы 3-5Гр при облучении всего тела умирает примерно половина всех облученных. Таким образом, в этом диапазоне доз облучения большие дозы отличаются от меньших лишь тем, что смерть в первом случае наступает раньше, а во втором – позже.

Следует учитывать также, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей также с разными коэффициентами. Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммируя по всем органам и тканям получим эффективную дозу (Табл. 4).

Альфа-частицы, ожидающиеся при радиоактивном распаде, могут быть легко остановлены листом бумаги. Одежда, индивидуальные средства защиты полностью задерживают альфа-частицы. Внешнее их воздействие не опасно для человека. Из-за высокой ионизирующей способности альфа-частиц – крайне опасны при попадании внутрь организма.

Таблица 4

Коэффициенты эффективной дозы облучения

Ткани и органы	Коэффициенты
Гонады (половые железы)	0,20
Костный мозг (красный)	0,12
Легкие	0,12
Желудок	0,12
Мочевой пузырь	0,05
Грудная железа	0,05
Печень	0,05
Пищевод	0,05
Щитовидная железа	0,05
Кожа	0,01
Клетки костных поверхностей	0,01
Остальное	0,05

Примечание. Рубрика «Остальное» состоит из надпочечников, головного мозга, верхнего отдела толстого кишечника (слепая кишка, восходящая и поперечная часть ободочной кишки), тонкого кишечника, почек, мышечной ткани, поджелудочной железы, селезенки, вилочковой железы и матки.

 

β-излучение: проникающая способность их меньше, чем гамма-излучения. Одежда и индивидуальные средства защиты значительно ослабляют бета-излучение. Ионизирующее действие бета-излучения в сотни раз сильнее гамма-излучения. Для защиты от бета-частиц энергией до 1МэВ достаточно алюминиевой пластины толщиной несколько мм.

γ-излучение: они способны проникнуть на сотни метров через толщи защитных материалов и через индивидуальные средства защиты. Гамма-излучение представляет основную опасность для людей. При радиоактивном заражении местности гамма-излучение действует в течение суток, недель месяцев. Для защиты эффективны тяжёлые элементы (свинец), поглощающие МэВ-ные фотоны в слое толщиной несколько см (рис. 2).

 

Бумага Человек Металл

Рис. 2. Проникающая способность ионизирующих

излучений

 

Примечание. Проникающая способность всех видов ионизирующего излучения зависит от энергии.