Действие ионизирующих излучений на вещество проявляется в ионизации и возбуждении атомов и молекул, входящих в состав вещества. Количественной мерой воздействия излучений на вещество является доза излучения. Доза излучения – это количество энергии ионизирующего излучения, поглощенного единицей массы облучаемой среды. Различают поглощенную, экспозиционную и эквивалентную дозы излучения.
4.6.1. Поглощенная доза излучения. Поглощенной дозой излучения (D) называется количество энергии любого вида ионизирующего излучения, поглощенное единицей массы любого вещества:
, (4.8)
где dЕ – поглощенная энергия излучения; dm – масса облучаемого вещества.
Эта величина позволяет дать количественную оценку действия различных видов излучения в различных средах. Она не зависит от объема и массы облучаемого вещества и определяется главным образом ионизирующей способностью и энергией излучений, свойствами поглощающего вещества и продолжительностью облучения.
При определении дозы в биологическом объекте нужно учитывать внешнее и внутреннее облучение, так как радиоактивные вещества могут попасть в организм с пищей, водой и вдыхаемым воздухом. В этом случае облучение внутренних органов происходит не только гамма-, но также альфа- и бета-излучением.
|
|
Поглощенная доза является количественной мерой воздействия ионизирующего излучения на вещество. За единицу измерения поглощенной дозы принят грей (Гр) – поглощенная доза излучения, соответствующая энергии 1 джоуль ионизирующего излучения любого вида, переданной облученному веществу массой 1 кг: 1 Гр = 1 Дж/кг.
На практике применяется внесистемная единица – рад (Rad – по первым буквам английского словосочетания «radiation absorbet dose»). Доза в 1 рад означает, что в каждом грамме вещества, подвергшегося облучению, поглощено 100 эрг энергии:
1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр;
1 Гр = 100 рад (1 эрг = 10 Дж).
Поглощенная доза излучения зависит от свойств излучения и поглощающей среды. Для заряженных частиц (альфа -, бета-частиц, протонов) небольших энергий, быстрых нейтронов и некоторых других излучений, когда основными процессами их взаимодействия с веществом является непосредственная ионизация и возбуждение, поглощенная доза служит однозначной характеристикой ионизирующего излучения по его взаимодействию со средой. Это связано с тем, что между параметрами, характеризующими ионизирующую способность излучения в среде, и поглощенной дозой можно установить адекватные прямые зависимости.
Для рентгеновского и гамма-излучений таких зависимостей не наблюдается, т. к. эти виды излучений косвенно ионизирующие. Следовательно, поглощенная доза не может служить характеристикой этих излучений по их воздействию на среду.
|
|
4.6.2. Экспозиционная доза излучения используется для характеристики рентгеновского и гамма-излучений по эффекту ионизации. Экспозиционная доза выражает энергию фотонного излучения, преобразованную в кинетическую энергию вторичных электронов, производящих ионизацию в единице массы атмосферного воздуха.
Экспозиционной дозой (Х) называется количественная характеристика излучений, основанная на их ионизирующем действии в сухом атмосферном воздухе и выраженная отношением суммарного электрического заряда ионов одного знака, образованных излучением, поглощенным в некоторой массе воздуха, к этой массе:
, (4.9)
где dQ – количество зарядов, образованных гамма-излучением в воздухе массой dm.
За единицу экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений принят кулон на килограмм (Кл/кг).
Внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р). Рентген – экспозиционная доза фотонного излучения, при которой в 1 см3 воздуха при нормальных условиях (t = 0°С и давление 101 кПа) образуется 2,08´109 пар ионов, заряд которых каждого знака равен 3,34´10–10 Кл.
Поскольку масса 1 см3 воздуха весит 1,293 · 10–6 кг, то
l Р = 3,34 · 10–10/1,293 · 10-6 = 2,58 · 10–4 Кл/кг;
1 Кл/кг = 3876 Р.
Помимо рентгена используются производные от него единицы: миллирентген (1 мР = 10–3 Р) и микрорентген (1 мкР = 10–6 Р).
Соотношение между экспозиционной дозой и поглощенной дозой, выраженной для воздуха, имеет вид:
D = 0,877 × X;
1 Р = 0,877 рад;
1 рад = 1,14 Р;
1 Кл/кг = 34 Гр.
Для других веществ коэффициент пропорциональности между D и Х будет иным. Он зависит от плотности и атомных номеров элементов, входящих в состав этих веществ.
Для биологических тканей соотношение между поглощенной и экспозиционной дозой составляет
1 P = 0,965 рад;
1 Кл/кг = 37,2 Гр.
Поглощенная доза в любом веществе, в том числе и в биологической ткани, может быть определена по формуле
(4.10)
где mл – линейные коэффициенты поглощения гамма-излучений в веществе и воздухе соответственно; r – плотность вещества и воздуха соответственно; Х – экспозиционная доза излучения в воздухе.
4.6.3. Эквивалентная доза излучения (Н) служит для характеристики биологического действия различных видов ионизирующих излучений. Альфа-, бета- и гамма-излучения даже при одинаковой поглощенной дозе (D) оказывают разное поражающее действие из-за различной ионизирующей способности.
Различие в величине радиационного воздействия можно учесть, приписав каждому виду излучений свой коэффициент качества (К).
Коэффициент качества (К) характеризует степень разрушительного действия на биологический объект и показывает во сколько раз данный вид излучения по биологической эффективности больше, чем рентгеновское излучение при одинаковой поглощенной дозе.
Рентгеновское и гамма-излучение вызывают ионизацию посредством вторичных электронов такую же ЛПИ, что и бета-излучения, поэтому коэффициент качества для них принят равным 1, для нейтронов, протонов и альфа-частиц коэффициенты приведены в табл. 5.
Таблица 5
Значения коэффициента качества для различных излучений
и разных интервалов энергий их частиц
Вид излучения | Коэффициент качества |
Гамма-, рентгеновское- и бета-излучение | |
Нейтроны с энергиями до 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 более 20 МэВ | |
Протоны с энергией более 20 МэВ | |
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра отдачи |
Считается, что поглощенная доза от альфа-излучения производит такое же разрушительное действие в теле человека, как и в 20 раз большая доза гамма-квантов или электронов, т. е. альфа-излучение в 20 раз опаснее, чем бета- и гамма-излучения.
|
|
Для определения степени поражающего действия ионизирующих излучений на человека с учетом взвешивающего коэффициента (коэффициента качества) используется эквивалентная доза Н
, (4.11)
где WR – взвешивающий коэффициент излучения (коэффициент качества); D – поглощенная доза в органе или ткани.
В качестве системной единицы эквивалентной дозы используется зиверт (Зв). Зиверт – единица эквивалентной дозы в биологической ткани, которая создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр рентгеновского или гамма-излучения.
Внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рада).
1 бэр = 0,01 Зв; 1 3в = 100 бэр.
Бэр – доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же биологическое действие, как и доза рентгеновских или гамма-лучей в 1 рад.
Эквивалентная доза рассчитывается для средней ткани человеческого тела. Органы и биологические ткани имеют разную радиочувствительность. В первую очередь поражаются половые железы, красный костный мозг. Учет радиочувствительности производят с помощью взвешивающих коэффициентов для тканей и органов.
Взвешивающий коэффициент ткани (wт) или коэффициент радиационного риска – риск облучения какого-то органа или ткани в сравнении с риском облучения всего тела. Для всего организма в целом wт = 1, то каждый орган имеет свой взвешивающий коэффициент (табл. 6).
Таблица 6