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.