Дозиметрия ионизирующего излучения

При действии различных излучений на вещество часть энер­гии передается его атомам. Эта часть превращается в теплоту, затрачивается на возбу­ждение атомов, а главным образом идет на иони­зацию. Поэтому радиоактивное излучение (альфа, бета, гам­ма), рентгеновское излучение, а также поток элементарных частиц (протонов, нейтронов, мезонов и др.) объединены общим назва­нием ионизирующие излучения. Ионизи­рующие излучения разрушающе - вредно дей­ствуют на организм. Последствия проявля­ются обычно не сразу, возмож­но, спустя годы и деся­тилетия. Необходимо, поэтому, искать та­кие ве­личины, которыми можно было бы характери­зовать различ­ные излучения с точки зрения ожи­даемых биологических эффек­тов, как бы пред­сказать ожидаемые последствия. Этими вопроса­ми занимается дозиметрия ионизирую­щих излу­чений.

Для характеристики ионизирующего излучения вводятся вели­чины: физическая, или экспозици­онная доза, доза поглощения, мощность дозы.

Доза поглощения характеризует ту часть энергии ионизи­рующего излучения, которая поглощается при прохождении че­рез единицу массы вещества.

D_n = E_n/m

В системе СИ доза поглощения измеряется в греях (Гр). Это такая доза, при которой в 1кг облучаемого вещества поглощается 1 Дж энергии излучения. Внесистемная единица изме­рения - 1 рад. 1 рад.= 102 Гр.

Однако практически измерять поглощённую дозу излучения довольно трудно, так как облу­чаемые тела неоднородны, энергия рассеивается по различным направлениям и др. Поэтому оце­ни­вать поглощенную дозу принято по ионизаци­онному действию рентгеновского или γ - излуче­ния на чистый сухой воздух. Такая оценка харак­теризуется экспозиционной или физической до­зой.

Экспозиционная доза определяется зарядом ионов одного знака, образующихся в единице массы сухого воздуха под дей­ствием рентге­новского или γ - излучения.

D₀ = q/m

В системе СИ измеряется - Кл/кг. Внесистемная единица один рентген (Р). Это экспозиционная доза рентгеновского или у - излуче­ния, при ко­торой в результате полной ионизации 0,001293 г су­хого воздуха образуются ионы, не­сущие заряд в 1 ед. СГСЭ. 1Р = 2,58х10^-4Кл/кг

При действии ионизирующего излучения на жи­вые ткани важно знать не только величину дозы, но и время, в течение которого эта доза поглоща­лась. Для этого вводится понятие мощности дозы Р.

Мощность дозы определяется отношением величины дозы к промежутку времени, в те­чение которого излучение действовало.

Для дозы поглощения: P. = D./t

Для экспозиционной дозы: Р. = D₀/t

Единицы измерения:

[P.]: СИ - Гр/с, внесистемная - рад / с;

[Р₀]: СИ - А/кг, внесистемная - Р / с, Р / мин, Р / час

Поглощенная и экспозиционная дозы связаны между собой пропорциональной зависимостью - D_n= fD_о, где f - коэффици­ент пропорционально­сти, зависящий главным образом от рода ве­ще­ства и от энергии фотонов.

Определено, что если поглощенная доза измеря­ется в радах, а экспозиционная в рентгенах, то f равно: для воздуха - 0,88, для воды и мягких тка­ней - 1, для костей от 4,5 до 1 (в зависимости от энергии фотонов). Поэтому, определив в экспе­рименте экспо­зиционную дозу, можно вычис­лить по переходному коэффициен­ту поглощен­ную дозу. Эффект действия данного вида иони­зирующего излучения на биологиче­ские объекты зависит от величины поглощенной дозы. При одинаковой поглощенной дозе различные излу­чения оказыва­ют различные воздействия. Чем слабее взаимодействуют частицы излучения с веществом, тем меньший эффект они вызывают (ней­трино не оказывает биологического воздей­ствия). В дозиметрии принято сравнивать эф­фекты, вызванные раз­личными излучениями с эффектом от рентгенов­ского или гамма - излуче­ния. Для этих целей вводится коэффициент каче­ства - К, его называ­ют также относительной био­логической эффек­тивностью - ОБЭ. Коэффици­ент качества показывает во сколько раз эффектив­ность действия данного вида излучения больше, чем рентгено­вского или γ-излучения. Этот коэффи­циент определяется опыт­ным пу­тем. Он зависит не только от вида излучения, но и от энергии частиц.

Приближенные значения К для некоторых излу­чений:

рентгеновское или γ - излучение - 1

тепловые нейтроны (Е = 0,01 эВ) - 3

нейтроны (5 МэВ) - 7

протоны - 10

α - частицы - 20

Произведение коэффициента качества на ве­личину погло­щенной дозы определяет эквива­лентную дозу излучения D_Э=KD_n

Единицы измерения эквивалентной дозы имеют равномерность поглощенной дозы (так как К - величина безразмерная), но носят специальное название: в системе СИ - Зв (Зиверт) био­логиче­ский эквивалент Грея, внесистемная - бэр (биоло­гический эквивалент рада). 1бэр = 10^-2 Зв. Экви­валентная доза служит для оценки действия ио­низирую­щего излучения на биологические объ­екты, в частности на орга­низм человека. Все ес­тественные радиоактивные источники дают - 125 мбэр в год. Предельно допустимая доза облуче­ния для профессиональ­ных работников - 5 бэр в год. Минимальная летальная доза - 600 бэр од­номоментно. Таким образом, определение экви­валентной дозы происходит по схеме - Д₀(f) → Дп(К) → Д_Э поэтому практически, определя­ется экспозиционная доза. Для ее определения при­меняются спе­циальные приборы, называе­мые дозиметрами - рентгенометрами. Сущест­вуют два вида дозиметров.

Конденсаторный дозиметр состоит из электро­мет­ра, стержень которого с насаженным на него диском вводится в герметически закрытую иони­зационную камеру объемом - V. В камере нахо­дится сухой, чистый воздух массой - m . Электро­метр заряжают до определенного потенциала φ₁. Заряд, сосредо­точенный на стержне, определя­ется из формулы емкости электро­метра: С = q₁/ φ₁, откуда q₁ = Cφ₁. При облучении каме­ры, в ней возникают поло­жительные и отрицатель­ные ионы. Ионы знака, противоположного знаку за­ряда стержня, притягива­ются к нему и нейтрали­зу­ют его заряд, который ста­новится равным - q₂ = Cφ₂

Заряд ионов одного знака, образующихся в ка­мере под действием излу­чения: q = q₁ - q₂ = С (φ₁ – φ₂). Количество ионов, образующихся в еди­нице объема (массы) есть экспо­зиционная доза.

Do = q/m = C/m (φ₁ – φ₂) = k(φ₁ – φ₂), где k = C/m

Таким образом, экспозиционная доза прямо про­порциональ­на разности показаний электро­метра. Шкалу электрометра граду­ируют в единицах экспозиционной дозы: Р, мР. Зная переводной коэффициент, можно определить дозу поглоще­ния, а измерив время из­лучения, определить мощность дозы.

Дозиметр, основан­ный на измерении тока ио­низации, состоит из ионизацион­ной камеры с двумя электродами, на которые через сопротив­ление R подается высокое посто­янное напряже­ние. Вели­чину напряжения подбирают таким об­разом, чтобы дозиметр работал в режиме насыще­ния, т.е. все образовавшиеся ионы участ­вовали в создании тока, но не существовало вто­ричной ионизации. При облучении каме­ры воз­никающие ионы (первичные) участвуют в обра­зовании тока. Величину тока можно опреде­лить, зная падение напряжения на сопротивлении R :

J = U/R.

Из электродинамики известно, что J = q/t. Поде­лив обе час­ти этого выражения наши, подставив значение тока (J = U/R), получим:

J/m = q/(mt) или U/(Rm) = D₀/t

Окончательно: P₀ =kU, где k = 1/(Rm)

Из последней формулы видно, что мощность экспозиционной дозы пропорциональна показа­ниям вольтметра, поэтому шкалу вольтметра градуируют в единицах мощности экспозицион­ной дозы: Р/час, Р/мин и т.д. Т.к. ток очень мал, то сопротивление R нужно взять большим, чтобы получить значительное падение напряжения (U = JR). Но измерить это напряжение можно вольт­метром, у которого еще большее сопротивление, иначе оно будет шунтировать R. Таким прибо­ром является катодный ламповый вольтметр.

В зависимости от возможных последствий влия­ния ионизиру­ющих излучений на организм "Нормами радиационной безопас­ности" (НРБ) установлены следующие категории:

Категория А - персонал (профессиональные ра­ботники) - лица, которые постоянно или вре­менно непосредственно работа­ют с источни­ками ионизирующих излучений.

Категория Б - ограниченная часть населения - лица, кото­рые непосредственно не работают с источниками излучений, но по условиям прожи­вания или размещения рабочих мест, могут под­вергаться воздействию радиоактивных веществ и других источ­ников излучений, приме­няемых в учреждениях или удаляемых во внешнюю среду с отходами.

Категория В - все остальное население области, края, рес­публики.

В зависимости от радиочувствительности, уста­новлены три группы критических органов или тканей человека:

I группа - все тело, гонады и красный костный мозг.

II группа - мышцы, щитовидная железа, жиро­вая ткань, пе­чень, селезенка, почки, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрус­талик глаза и дру­гие органы, за исключением тех, которые отно­сятся к I и III группам.

III группа - кожный покров, костная ткань, кисти рук, пред­плечья, лодыжки и стопы.

Понятие предельно-допустимая доза (ПДД) было сформули­ровано как: наибольшее значе­ние индивидуальной эквивалентной дозы за год, которое при равномерном воздействии в течение 50 лет не вызовет в состоянии здоро­вья персонала (категория А) неблагопри­ятных изменений, обнаруживаемых совре­менными методами.

ПДД является основным дозовым пределом ка­тегории А. Для категории Б установлен предел дозы (ПД) - предельная эквивалентная доза за год. Она контролируется по установленной для критических групп органов дозе излучения, уровню радиоак­тивных выбросов и радиоактив­ного загрязнения внешней среды. ПД является основным дозовым пределом для категории Б.