Дозиметрические единицы

Лекция Ионизирующее излучение

Общие сведения

 

Ионизирующим называется излучение, которое, проходя через среду, вызывает ионизацию или возбуждение молекул среды. Ионизирующее излучение (ИИ), так же как и электро-магнитное, не воспринимается органами чувств человека. По-этому особенно опасно, так как человек не знает, что он подвер-гается его воздействию.

 

Различают естественные и искусственные источники ионизирующего излучения. Природное ИИ присутствует по-всюду. Оно поступает из космоса в виде космических лучей. Оно есть в воздухе в виде излучений радиоактивного радона и его вторичных частиц. Радиоактивные изотопы естественного происхождения проникают во все живые организмы и остаются

 

в них. Ионизирующего излучения невозможно избежать. Есте-ственный радиоактивный фон существовал на Земле всегда, и жизнь зародилась в поле его излучений, а затем – много–много позже – появился и человек. Эта природная (естественная) ради-ация сопровождает нас в течение всей жизни. Космическое из-лучение и радиоактивные вещества, находящиеся в окружаю-щей нас среде, являются источниками внешнего излучения. Радиоактивные вещества, содержащиеся в теле человека или по-ступающие в организм с вдыхаемым воздухом, пищей или во-

дой, обуславливают внутреннее облучение.

 

Физическое явление радиоактивности было открыто в

 

1896 г. А. Беккерелем и сегодня оно широко применяется во многих областях.

 

Источники ионизирующих излучений применяют для контроля качества сварных соединений, борьбы со статическим электричеством, дефектоскопии металлов, определения уровня агрессивных сред в замкнутых объёмах и др. Их используют в сельском хозяйстве, атомной энергетике, медицине и геологиче-ской разведке. Знаки «выхода» в зданиях и самолётах благодаря содержанию радиоактивного трития светятся в темноте в случае внезапного отключения электричества. Многие приборы пожарной сигнализации в жилых домах и общественных зданиях со-держат радиоактивный америций.

 

Различают ИИ электромагнитное (фотонное) и корпуску-лярное. К первому виду относятся рентгеновское и гамма– излучение; второй вид представляет собой поток частиц с мас-сой покоя, отличной от нуля (альфа– и бета–частиц, протонов, нейтронов и др.).

 

Наиболее известны альфа–частицы (представляющие со-бой ядра гелия и состоящие из двух протонов и двух нейтронов), бета–частицы (представляющие из себя электрон) и гамма– излучение (представляющее кванты электромагнитного поля определенного диапазона частот). Альфа–частица тяжёлая и об-ладает высокой энергией, это ядро атома гелия. Бета–частица примерно в 7336 раз легче альфа–частицы, но может обладать также высокой энергией. Бета–излучение – это потоки электро-нов и позитронов. Частота волны рентгеновского излучения со-ставляет 1,5·10¹⁷…5·10¹⁹ Гц, а гамма–излучения – более 5·10¹⁹ Гц.

 

α–излучение – это поток положительно заряженных ча-стиц ядер атомов гелия, скорость которых составляет примерно 20000 км/с. Этот поток обладает большой ионизирующей спо-собностью. Длина пробега частиц в воздухе составляет пример-но 10 см, а в других средах ещё меньше. Из–за высокой ионизи-рующей способности α – частицы крайне опасны при попадании внутрь организма, а также для глаз и слизистых оболочек.

 

β–излучение – это поток отрицательно заряженных частиц (электронов), скорость которого достигает скорости света. Про-никающая способность этих частиц выше, чем у α–частиц, но ионизирующая способность ниже, чем α–излучения.

 

Нейтронное излучение – поток нейтральных (незаряжен-ных) частиц с массой, близкой к массе атома водорода. Разли-чают медленные нейтроны (с энергией менее 0,5 кэВ), промежу-точные нейтроны (от 0,5 до 200 кэВ) и быстрые нейтроны (200 кэВ до 20 МэВ).

 

Фотонное излучение – это поток электромагнитных коле-баний, которые распространяются в вакууме с постоянной ско-ростью 300000 км/с. К нему относятся γ–излучение и рентгенов-ское излучение. Различие между ними определяются условиями образования, а также длиной волны и энергией. Характерной особенностью данного вида излучения является большая глуби-на проникновения и малая ионизирующая способность (меньше чем α и β – излучения).

 

Ионизирующие излучения имеют ряд общих свойств, два из которых являются наиболее важными: способность прони-кать через материалы различной толщины; ионизировать воздух и живые клетки организма.

 

Мерой радиоактивности какого–либо количества радио-нуклида, находящегося в данном энергетическом состоянии в данный момент времени, является активность: А=dN/dt, где dN – ожидаемое значение числа спонтанных ядерных переходов с данного уровня энергии за отрезок времени dt. Единицей актив-ности является беккерель (Бк), 1 Бк равен одному распаду в се-кунду. Использовавшаяся ранее внесистемная единица активно-сти кюри (Ки) составляет 3,7·10¹⁰ Бк. Время, в течении которого распадается в среднем половина исходных атомов, называется периодом полураспада T_1/2. Период полураспада связан с посто-янной распада λ соотношением: T_1/2=ln2/λ=0,693/λ.

Зависимость активности от времени описывается выраже-

 

нием: A(t)=λ·N(t)=A₀·e^–λt=A₀·2^(T_1/2)^–1, где A₀ – активность в начальный момент времени, A₀=λ·N₀, где N₀ – число радиоак-тивных атомов в начальный момент времени.

 

Дозиметрические единицы

 

Основным параметром, характеризующим поражающее действие проникающей радиации, является доза излучения.

 

Доза излучения – это количество энергии ионизирующих излучений, поглощенной единицей массы облучаемой среды. Различают экспозиционную, поглощенную, эквивалентную и эффективную дозы.

 

Экспозиционная доза D_э представляет собой отношение полного заряда Q ионов одного знака, возникающих в малом объёме воздуха к массе m воздуха в этом объёме (обычно берут отношение компонентов dQ и dm): D_э=dQ/dm. За единицу D_э принимают кулон на килограмм (Кл/кг). Применяют и внеси-стемную единицу рентген (Р), 1Р=2,58·10^–4 Кл/кг.

 

Биологическое действие ИИ на живой организм определя-ется поглощённой дозой излучения D_погл, представляющей собой отношение средней энергии dЕ, переданной излучением веще-ству в элементарном объёме: D_погл=dЕ/dm. Единицей поглощён-ной дозы является грей (Гр), 1Гр=1 Дж/кг. Применяется также единица рад, 1рад=0,01 Гр.

 

Для наглядного представления о величине энергии равной 1 Дж вспомним, что 1 Дж – это кинетическая энергия, которую приобретает тело массой 100 г при свободном падении с высо-ты, равной 1 м, или 1 Дж – это энергия, которая необходима, чтобы повысить температуру 1 г воды на 0,24 ⁰С.

 

Поглощённая доза является основной дозиметрической величиной, характеризующей не самоизлучение, а его воздей-ствие на вещество.

 

Поглощённая доза не отражает в полной мере действия

 

ИИ на живой организм, так как биологический эффект зависит не только от величины поглощённой энергии, но и от ряда дру-гих параметров, обусловленных характером и условиями облу-чения (равномерность распределения в организме, плотность ионизации, дробность облучения, мощность дозы и др.). Плот-ность ионизации является главным фактором, поскольку число пар ионов, образованных на единицу пути, в веществе у α– частиц существенно больше, чем у β–частиц (электронов), то биологический эффект при одной и той же дозе (величине по-глощённой энергии) будет больше при облучении α–частицами, чем β–частицами или γ–излучением.

 

Действие ИИ на организм зависит от пространственного распределения поглощённой энергии, характеризуемого линей-ной передачей энергии заряженных частиц в среде.

 

Радиационную опасность хронического действия излуче-ния произвольного состава оценивают по эквивалентной дозе D_экв облучения,определяемой как произведение поглощённойдозы на средний коэффициент качества К_к излучения в данной точке ткани: D_экв=D_погл·К_к Измеряют эквивалентную дозу в зи-вертах (Зв=Дж/кг). Применяют также биологический эквивалент рада (бэр), 1 бэр=0,01 Зв. Зиверт равен эквивалентной дозе из-лучения, при которой поглощённая доза равна 1 Гр и коэффици-ент К_к=1. Отнесённые к единице времени поглощённая экспози-ционная и эквивалентная дозы представляют собой мощности соответствующих доз. Коэффициент качества К_к, используемый для сравнения биологического действия различных видов излучения при обос-новании радиационной защиты, – безразмерный параметр, кото-рый характеризует зависимость неблагоприятных последствий облучения человека в малых дозах от полной линейной переда-чи энергии излучения.

 

Значения К_к для некоторых видов излучения при длитель-ном облучении всего тела следующие: фотоны, электроны и ио-ны любых энергий – 1; нейтроны с энергией от 10кэВ до 100 кэВ и 2 МэВ до 20 МэВ – 10, от 100 кэВ до 2 МэВ – 20, менее 10 кэВ и более 20 МэВ – 5; α–частицы, осколки деления, тяжёлые ядра – 20.

 

При воздействии различных видов излучения с различны-ми взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза опре-деляется как сумма эквивалентных доз для R видов излучения:

D_экв=ΣD_экв·R.

 

В ряде случаев облучению подвергается не всё тело, а один или несколько органов. Такая ситуация чаще всего реали-зуется при внутреннем облучении, т.е. при поступлении радио-нуклидов в организм с вдыхаемым воздухом или пищевыми продуктами. Радионуклид, ка и неактивный нуклид данного хи-мического элемента, накапливается в том или ином органе. В частности радионуклиды йода поступают преимущественно в щитовидную железу, радия и стронция – в костную ткань, поло-ния – в печень, селезёнку, почки и т.д.

 

Поскольку органы и ткани человека обладают различной радиочувствительностью, то для оценки риска возникновения отдалённых последствий при облучении всего организма или отдельных органов используется понятие эффективной эквива-лентной дозы (Е). Единица этой дозы – зиверт (Зв). Она также как и эквивалентная доза применима только для хронического облучения в малых дозах и является мерой оценки ущерба для здоровья по выходу отдалённых последствий.

 

По определению: E=ΣD_экв·W_T, а ΣW_T=1, где D_экв – эквива-лентная доза в органе или ткани Т; W_T – взвешивающий коэф-

 

фициент для органа или ткани Т, который характеризует отно-сительный риск на единицу дозы по выходу отдалённых послед-ствий при облучении данного органа по отношению к облучению всего тела. Значения W_T для различных видов излучения составляют: гонады – 0,20; красный костный мозг, лёгкие, тол-стый кишечник, желудок – 0,12; молочные железы женщин, щи-товидная железа, печень, пищевод, мочевой пузырь – 0,05; клет-ки костных поверхностей, кожа – 0,01; прочие органы – 0,05.

 

Из представленных данных следует, что при облучении например, только щитовидной железы (W_T=0,05) эффект по от-далённым последствиям будет составлять всего 5 % от того эф-фекта, который может быть реализован при облучении всего те-ла. Соответственно он равен 20 % для гонад, 12 % для лёгких и т.д.