Нейтронное излучение

Нейтронное излучение является результатом спонтанного деления ядер делящихся радиоактивных материалов, либо результатом взаимодействия альфа частиц с легкими ядрами. Нейтроны обладают энергией от долей до десятков МэВ. Нейтроны с малой энергией (тепловые) легко проникают в ядра, вызывая их перегруппировку с образованием искусственного радиоактивного изотопа того же элемента. Например:

Образовавшийся изотоп кобальта обладает искусственной радиоактивностью. Испуская бета – частицу, он превращается в стабильный изотоп никеля . В процессе распада ядра  испускаются два γ – кванта с энергией 1,17 и 1,33 МэВ.

Фиксация нейтронного излучения может служить основанием для подозрения о наличии в перевозимом грузе делящихся материалов.

Для защиты от нейтронного излучения используются материалы с высокой концентрацией атомов водорода, такие как вода, парафин, полиэтилен, гидриды металлов и т.п. Контейнеры из этих материалов могут применяться и для маскировки незаконной перевозки ДРМ, испускающих нейтронное излучение. Хорошим материалом защиты от нейтронов является бетон, который достаточно эффективно ослабляет и гамма-излучение.

Нейтронное и гамма-излучение относятся к проникающим излучениям, так как они достаточно легко проходят через различные материалы. В связи с этим для грузов радиоактивных материалов, испускающих эти виды излучений, требуется специальная конструктивная защита, которая должна обеспечивать радиационную безопасность персонала и населения при их транспортировке. Вследствие высокой проникающей способности именно эти два вида излучений обычно используются для обнаружения и аттестации ДРМ в перемещаемых через границу товарах и транспортных средствах.

Энергию ИИ и его воздействие можно оценивать дозой и мощностью дозы. Существуют разные виды доз: экспозиционная, поглощенная, эквивалентная и эффективная.

Первым критерием для измерения экспозиционной дозы ИИ стал суммарный заряд частиц с электрическим зарядом одного знака, образовавшихся в единичном объеме массы сухого атмосферного воздуха вследствие его ионизации.

Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). В литературе чаще применяется внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р), соответствующая образованию 2,1 × 10⁹ пар ионов с зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона в 1 см³ сухого воздуха при нормальных условиях.

1 Кл/кг = 3876 Р

и наоборот

1 Р = 2,58 × 10^-4 Кл/кг

Мощность экспозиционной дозы (МэД) ИИ определяется как экспозиционная доза, полученная в единицу времени. В системе СИ она измеряется в Кл/кг×с = или в амперах на килограмм А/кг. Чаще используются внесистемные единицы: Р/с и Р/ч, а также мкР/ч и мР/ч. Экспозиционную дозу и её мощность используют для оценки полей радиации с энергией квантов не выше 3 МэВ.

Изменения, вызываемые излучением в воздухе и в других средах (в том числе в тканях человеческого организма) количественно различны.

Это связано с разным количеством энергии, передаваемой излучением одинаковым по массе количествам разных веществ. Учесть этот фактор можно, выражая количество ИИ в единицах поглощенной дозы (D).

Физический смысл поглощенной дозы – это количество энергии, переданная излучением единичной массе вещества.

В системе СИ поглощенную дозу выражают в греях (Гр): 1 Гр = 1 Дж/кг. Часто применяют внесистемную единицу поглощенной дозы – рад (аббревиатура «Radiation Absorbed Dose»). Рад равен сантигрею (1 рад = 10^-2 Гр, 1Гр = 100 радам).

Биологически значимые величины поглощенных доз измерить трудно из-за незначительности энергии, передаваемой организму излучением. Так, при облучении человека массой 76 кг дозой 4 Гр его телу будет передана энергия 305 Дж. Этого хватает лишь для подъема тела на высоту 40 см или для его нагревания на 0,001˚С.

Поэтому экспозиционная доза ИИ, как правило, измеряется, а поглощенная доза рассчитывается с учетом свойства среды, на которую действует облучение. В воздухе 1 рентген соответствует 0,89 рад, а в тканях организма в среднем составляет 0,95 рад.

Степень воздействия ИИ на облучаемый объект зависит не только от её мощности, т.е. полученной дозы, но и от времени, за которое эта доза была получена. В радиационных расчетах важно знать за какое время объект может получить ту или иную заранее заданную дозу в конкретной радиационной обстановке.

Поэтому мощность поглощенной дозы (МПД) – это скорость накопления дозы. В системе СИ мощность поглощенной дозы (или «мощность дозы излучения») определяется как 1Гр/1с. Наиболее часто используются внесистемные единицы: рад/с, Гр/ч, рад/ч.

Различные ИИ вызывают в биосистемах количественно различные эффекты даже при одной поглощенной дозе. Это связано, главным образом, с такими характеристиками излучений, как линейная передача энергии (ЛПЭ) и коэффициент ослабления m.

Для сравнительной оценки биологического действия различных видов ИИ введено понятие эквивалентной дозы (Н), которая определяется как поглощенная доза в органе или ткани (D), умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения (Q):

H = D × Q,

где: D – поглощенная доза в данной точке ткани, а Q – средний коэффициент качества излучения, который устанавливается для каждого вида излучения в зависимости от его ЛПЭ (табл. 12.1).

Таблица 12.1

Средние значения коэффициента качества для

различных видов излучения

 

Вид излучения	Коэффициент качества, Q
Фотоны любых энергий	1
Электроны и мюзоны любых энергий	1
Нейтроны с энергией E < 10 кэВ	5
Нейтроны с энергией E =10…100 кэВ	10
Нейтроны с энергией E = 0,1…2 МэВ	20
Нейтроны с энергией E = 2…20 МэВ	10
Нейтроны с энергией E > 20 МэВ	5
Протоны с энергией E > 2 МэВ	5
a-частицы, осколки деления, тяжелые ядра	20

 

В системе СИ единицей эквивалентной дозы служит зиверт (Зв), а внесистемной единицей является бэр (аббревиатура слов «биологический эквивалент рада»). 1 Зв = 100 бэр. Для рентгеновского, g- и b-излучений 1 Зв соответствует поглощенной дозе в 1 Гр.

При кратковременных лучевых воздействиях эквивалентную дозу можно рассчитать по формуле:

H = D × ОБЭ

где Н – эквивалентная доза, бэр; D – поглощенная доза, рад; ОБЭ – коэффициент относительной биологической эффективности ИИ, который для рентгеновского и g-излучения обычно принимают равным единице. Величина ОБЭ для других ИИ зависит от их природы и от выбранного критерия оценки биологической эффективности излучения. ОБЭ > 1 у излучений, более эффективных по конкретному критерию, чем рентгеновское или g-излучения.

Коэффициент качества показывает, во сколько раз рассматриваемый вид излучения опаснее для организма, чем g-излучение при одной и той же величине полученной дозы.

Мощность эквивалентной дозы H’ измеряется в Зв/с, а также в бэр/с, (1зВ = 100 бэр) мкЗ/ч, мбэр/ч. Уровень измерения – соответствует мощность дозы, выраженная в миллизивертах в час.

Средняя эквивалентная доза в органе – среднее значение эквивалентной дозы H_T в ткани или органе T массой m_T:

где H – доза в элементе массы dm.

В повседневной практике радиационного контроля исторически более привычной для людей является использование термина «микроретген в час» для описания мощности эквивалентной дозы (см. таб. 12.2).

Следует учитывать, что одни органы и ткани более чувствительны к действию радиации, чем другие. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с различными коэффициентами. Это положение лежит в основе определения эффективной дозы (H_E), которая также измеряется в зивертах (Зв).

Таблица 12.2

Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов

при расчете эквивалентной дозы

 

Орган	wT	Орган	wT
Гонады	0,20	Мочевой пузырь	0,05
Грудная железа	0,05	Пищевод	0,05
Красный костный мозг	0,12	Печень	0,05
Желудок	0,12	Щитовидная железа	0,05
Легкие	0,12	Кожа	0,01
Толстый кишечник	0,12	Кость (поверхность)	0,01
		Остальные органы (ткани)*	0,05

 

Эффективная доза Н_Е равна сумме произведений средней эквивалентной дозы облучения (таблица 12.3) органа Н_т на взвешивающие коэффициенты для соответствующих органов w_T (w_T характеризуют отношение риска облучения данного органа (ткани) к суммарному риску при равномерном облучении всего тела). Значения wT рекомендованы МКР3 и приняты НРБ для расчета эффективной дозы персонала и населения любого возраста с учетом радиочувствительности разных органов и тканей организма человека.

Таблица 12.3

Единицы основных видов дозы и соотношения между ними.

Единицы основных видов доз излучения**

 

Виды дозы	Единицы измерения		Соотношение единиц
	Внесистемные	СИ
Экспозиционная	рентген (Р; R)	кулон на килограмм (Кл/кг; C/kg)	1 Кл/кг=3876 Р
Поглощенная	рад (рад; rad)	грей (Гр; Gy)	1 Гр = 100 рад
Эквивалентная	бэр (бэр; rem***)	зиверт (Зв; Sv)	1 Зв = 100 бэр

В соответствии с НРБ-99/2009 доза эффективная (Н_E) – это величина, используемая как мера риска возникновения последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности.

Для оценки опасности ИИ для группы людей или для популяции в целом следует пользоваться понятием коллективная эффективная доза. Она рассчитывается как сумма индивидуальных эффективных доз, полученных группой людей, и измеряется в человеко-зивертах (чел.-Зв). НРБ-99/2009 дает следующее определение этой дозы: доза эффективная коллективная – это мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения, равная сумме индивидуальных эффективных доз.

Для оценки вредности радионуклидов используют два подхода:

1. Оценивают его вклад в индивидуальную усредненную годовую дозу для критической группы людей. Под критической группой понимают контингент лиц, находящихся в наихудших условиях с точки зрения радиационного воздействия.

2. Оценивают его вклад в популяционную дозу. Некоторые авторы (Фрай, О.Риорден) представляют классификацию источников радиационного загрязнения внешней среды следующим образом:

Классификация источников Сильный Средний Слабый

Годовая доза МкЗв > 100 1- 100 < 10