V. Радиоактивное облучение и доза

Из-за важности обеспечения радиационной защиты и безопасного использования радиоактивных источников, вводятся понятия радиоактивное облучение и доза, которые играют значительные роли при радиационных измерениях. Далее мы введем основные соотношения и важные понятия этой области. Для более широкого рассмотрения этих тем, читатель может обратиться к публикации Международной Комиссии по Радиационным Единицам и Измерениям International Commission on Radiation Units and Measurements. В частности к ICRU Report #19 [Radiation Quantities and Units (1971)] [Радиационные Расчеты и Единицы (1971)] которые содержат полный набор определений и примечаний, являющихся обазой для радиационных измерений и расчета доз.

A. Облучение Гамма-квантами

Понятие облучения гамма-квантами было давно введено в радиоизотопных исследованиях и является величиной, которая почти аналогична силе электрического поля, созданного точечным зарядом. Для источников рентген- или гамма-квантов, определенное облучение присутствует в каждой точке просторнства, окружающем источник с постоянной интенсивностью. Облучение линейно(????), так как удваивание интенсивности (мощности???) источника также удваивает значение облучения в каждой точке вокруг источника The exposure is linear, in that doubling the source intensity also doubles the exposure rate everywhere around the source.

Основная единица облучения гамма-излучением определена через заряд dQ, который возникает в результатеионизации, созданной вторичными электронами (отрицательные электроны и позитроны) образовавшейся в пределах элементарного объема воздуха массой dm, при условии полнойостановки вторичных электронов в воздухе. Значение облучения X тогда задается как dQ/dm. В системе СИ единица измерения облучения гамма-излучением - это кулон на килограмм (Кл/кг). Исторически эту единицу называют рентгеном (Рентген), и определяют как облучение, которое приводит к появлению одной электростатической заряженной частицы в 0.001293 г (1 см³ при нормальных условиях) сухого воздуха. Эти две единицы измерения связаны соотношением:

Облучение задается через воздействие данного потока гамма-излучения на воздуха и является функцией только интенсивности источника, геометрии между источником и облучаемым обектом, и каким-либо ослаблением гамма - лучей, которое имеет место между ними. Его измерение требует определения заряда вследствии ионизации, произведенной в воздухе. В соответствии с вышеупомянутым определением необходимо отслеживать каждый вторичный электрон, созданный первичными гамма-квантами в исследуемом объеме, и сложить заряды появившися в результате ионизации, возникнувшей благодаря вторичным электроном. Этого часто бывает трудно или невозможно достигнуть на практике, и поэтому методы, которые разработаны, чтобы оценить облучение от гамма-квантов обычно используют приближения, с участием принципа компенсации principle of compensation, введенного в Главе 5.

Хотя облучение гамма-квантами напрямую не привязано к физическим явлениям, оно часто бывает интересным в дозиметрии. Поэтому удобно уметь вычислять значении облучения на известном расстоянии от радиоизотопного источника. Если мы предполагаем, что коэффициент вторичной эмиссии электронов yield при облучении рентген- и гамма-квантами точно известен, облучение приходящиееся на единицу активности источника на известном расстоянии может быть выражено при следующих условиях:

1. Источник является достаточно малым, чтобы соответствовать сферической гометрии (то есть, поток фотонов уменьшается как 1 /d², где d - расстояние до источнику).

2. Нет никакого ослабления рентген- или гамма-квантов в воздухе или другом материале между источником и токой измерения.

3. Только фотоны, вылетающие непосредственно из источника к объекту определенных размеров, способствуют облучению, и любыми другими гамма-квантами, рассеянными в окружающих материалах, можно пренебречь.

Значение облучения тогда будет:

(2-31)

где α – активность источника, и Г _δ является exposure rate constant (постоянной облучения???) для определенного радиоизотопа. Приписка δ подразумевает, что было сделано допущение о том, что все рентген-, и гамма-кванты, испускаемые источником выше энергии δ,вносят вклад в дозу, тогда как те ниже этой энергии не достаточно проникают для того, чтобы представлять практический интерес. Значение Г _δ для определенного радиоизотопа может быть вычислено из коэффициент вторичной эмиссии yield гамма-излучения и зависимых от энергии поглотительных свойствх воздуха. Некоторые специфические значения для δ = 0 перечислены в Таблице 2-1.

ТАБЛИЦА 2-1. Значения exposure rate constant (постоянной облучения???) для некоторых радиоизотопных источников Гамма-излучения

Нуклид	Гa
Сурьма-124	9.8
Цезий-137	3.3
Кобальт-57	0.9
Кобальт-60	13.2
Йод-125	~0.7
Йод-131	2.2
Марганец-54	4.7
Радий-226	8.25
Натрий-22	12.0
Натрий-22	18.4
Технеций-99m	1.2
Цинк-65	2.7

Значения exposure rate constant (постоянной облучения???) выражены в единицах Рентген ∙см²/ч∙mКи.

Источник: Физика Здоровья и Радиологическое Руководство Здоровья,

Нуклонные Партнеры Кафедры, Olney, MD, 1984. The Health Physics and Radiological Health Handbook, Nucleon Lectern Associates, Olney, MD, 1984.

B. Поглощенная Доза

Если два различных материала, подвергнуть одинаковому облучению гамма-квантов, то вообще, они поглотят различное количество энергии. Поскольку множество явлений, включая изменения в физических свойствах или возникновения химических реакциий, определяют значение энергии поглощенной в единице массы вещества, то величина, которая определяет это количество поглощенной энергии, представляет фундаментальный интерес. Энергия, поглощенная от любого типа излучения в единице массы поглотителя, называется поглощенная доза. Историческая единица измерения поглощенной дозы это рад, соответствующая 100 эрг/грамм. Как произошло и со многими другими историческими радиационными единицами измерения, рад постепенно заменился его эквивалентном в системе СИ - Грей (Гр), соответсвующему 1 Дж/кг. Эти две единицы измерения связаны:

Поглощенная доза должна быть корректной мерой химических или физических эффектов, создаваемых радиационным облучением в поглощающем материале. Тщательные измерения показали, что поглощенная доза в воздухе, от облучения гамма-квантами 1 Кл/кг соответствует дозе 33.8 Дж/кг, или 33.8 Гр. Если воздух заменить водой, то ее поглотительные свойства в единице массы не будут сильно отличаться, потому что средний атомный номер воды почти такой же как и у воздуха. Для поглощающих материалов с другими атомными номерами механизмы взаимодействия относительно отличаются, и поэтому поглощенная доза на единицу облучения отличалась бы больше.

Чтобы измерить поглощенную дозу оценить фундаментальным образом, должен быть выполнен определенный тип измерения энергии type of energy measurement must be carried out. Первый способ - калориметрическое измерение, в котором значение повышения температуры в образце поглотителя используется, чтобы вычислить значение изменения энергии приходящегося на единицу массы.

ТАБЛИЦА 2-2 Качественные Факторы для Различного Radiations (from ICRU Report #19)

L в воде (кэВ/мкм)	Q
3.5 или менее
7.0

Из-за их трудности эти измерения не являются обыкновенными, поскольку тепловые эффекты, создаваемые даже большими дозами излучения, являются очень маленькими. Вместо этого можно использовать намного более распространенные косвенные измерения поглощенной дозы, в которых ее величина получается из измерений ионизации, походящей при определенных условиях (см. Главу 5).

C. Эквивалентная Доза

Когда оценивается эффект облучения живых организмов, поглощение соответствует количеству энергии на единицу массы при различных условиях облучения, и в этом случае нельзя гарантировать одинаковые биологические эффекты. Фактически, степень воздействия отличается настолько, каков порядок величины переданной энергии от тяжелых заряженных частиц или электронов.

Биологическое повреждение, созданное излучением, соответствует химическоим изменениям биологических молекул, которые появляются под влиянием ионизации или возбуждения. Тяжесть и устойчивость этих изменений связаны непосредственно с локальным значением переданной энергии вдоль траектории движения частицы, известного как линейная передача энергии ⁺L linear energy transfer⁺ L. Излучение с большими значениями L (такое как тяжелые заряженные частицы) имеет тенденцию способствовать большим биологическим повреждениям, чем то излучение, у которого L ниже (такое как электроны), даже условии того, что полная энергия, потерянная в единице массы, та же самая.

Понятие эквивалентной дозы было введено затем, чтобы адекватнее определять количество вероятного биологического эффекта от конкретного радиационного облучения. Единица измерения эквивалентной дозы задается как количество любого типа излучения, которое, при поглощении в биологической системе, приводит к тому же самому биологическому эффекту как единица поглощенной дозы, от излучения с низкой L. Эквивалентная доза H - произведение поглощенной дозы D и коэффициента качества Q, который характеризует определенный тип излучения:

(2-32)

Увеличение коэффициента качества в зависимости от линейной передачи энергии L linear energy transfer L как показано в Таблице 2-2.

Для быстрых электронов, L достаточно мала, и Q по существу являетя одинаковым и равным единице для электронов. Поэтому, численное значение эквивалентной дозы равно поглощенной дозе для бета частиц или других быстрых электронов. Это же верно и для рентген и гамма-квантов, потому что их энергию выражают через энергию быстрых вторичных электронов. Заряженным частицам присуща намного более высокая линейная передачи энергии L linear energy transfer L и, соответственно, эквивалентная доза больше, чем поглощенная доза.

⁺Линейная передачи энергии L linear energy transfer L почти идентичны удельным энергетическим потерям (-dE/dx) определенным ранее. Различия возникают только тогда, когда существенная часть энергии излучения высвобождается в форме тормозного рентгеновского излучения, которое может отдалиться на существенное расстояние от траектории частицы прежде, чем передаст свою энергию веществу. Удельные энергетические потери включают тормозное излучение, как часть энергетических потерь частицы, а линейная передачи энергии L linear energy transfer L включает только энергию, которая теряется вдоль траектории, и поэтому не учитывает тормозное излучение.

Например, Q - равно приблизительно 20 для альфа-частиц. Поскольку нейтроны передают большую часть своей энергии в форме тяжелых заряженных частиц, их коэффициент качества также значительно превышает единицу и изменяется в зависимости от энергии нейтронов.

Единицы измерения, используемые для эквивалентной дозы H, зависят от соответствующих единиц поглощенной дозы D в формуле. (2-32). Если D выражена через рады, то H измеряют в [бэр] – биологический эквивалент рада. До совсем недавнего времени, бэр широко использовался для определения значения эквивалентной дозы. Согласно системе СИ, D выражают в [Гр], и соответствующая единица эквивалентной дозы называется Зиверт [Зв]. Например, поглощенная доза составляет 2 Гр, от излучения с Q= 5, следовательно эквивалентная доза будет 10 Зв. Поскольку 1 Гр = 100 рад, то 1 Зв = 100 бэр.

Основные принципы для радиационного облучения ограничивающие персонал, указаны в единицах эквивалентной дозы, чтобы оценивать подверженность различным типам излучения различных энергий на общей основе.