Доза излучения и его мощность

Биологическое действие рентгеновского и ядерных излучений на организм обусловлено ионизацией и возбуждением атомов и молекул биологической среды, на которые излучения расходуют свою энергию. Таким образом, в результате этого взаимодействия живому организму передается определенное количество энергии. Часть поступающего излучения пронизывает облучаемый объект (без поглощения) и действия на него не оказывает. Поэтому основная физическая величина, характеризующая действие излучения на организм, находится в прямой зависимости от количества поглощенной энергии. Для измерения количества поглощенной энергии введено понятие – доза излучения. Это величина энергии, поглощенной в единице объема (массы) облучаемого вещества.

Таким образом: доза ионизирующего излучения - это характеристика количества излучения и мера его воздействия на облучаемую среду или объекты окружающей среды. Обычно доза ионизирующих излучений обозначается буквой Д (в русском варианте) или D (в латинском варианте). Однако, если иметь в виду конкретный способ выражения дозы, более корректно придерживаться обозначений документа «Нормы радиационной безопасности» (НРБ-99).

Поглощенная доза (D) – энергия ионизирующего излучения, поглощенная облучаемым телом (тканями организма), в пересчете на единицу массы: D = dE/dm, где Е – энергия излучения, m – масса объекта.

В Международной системе единиц (СИ) поглощенная доза выражается в джоулях на килограмм массы - Дж/кг (табл.1 Приложения). Эта величина получила название грей (Гр). При облучении человека доза 1 грей - крупная величина. Достаточно указать, что LD₅₀ (доза, при которой погибают 50% опытных животных) при экстраполяции на человека составляет около 4Гр. Поэтому иногда используют другую, внесистемную единицу измерения поглощенной дозы - рад, причем 1рад =10^-2 Гр. Рад - это поглощенная доза, при которой количество поглощенной энергии в 1 грамме вещества составляет 100 эрг независимо от вида и уровня энергии излучения (табл. 1 Приложения).

Различают дозу в воздухе, на поверхности (кожная доза) и в глубине облучаемого объекта (глубинная доза), очаговую и интегральную (общую поглощенную) дозы.

Экспозиционная доза. Измерить ионизацию непосредственно в глубине тканей живого организма трудно. В связи с этим для количественной характеристики рентгеновского и гамма-излучений, действующих на объект, определяют так называемую экспозиционную дозу D₀, которая характеризует ионизирующую способность этих излучений в воздухе. От экспозиционной дозы с помощью соответствующих коэффициентов переходят к дозе, поглощенной в объекте.

Установленная в СИ единица измерения экспозиционной дозы - кулон, отнесенный к килограмму (Кл • кг^-1). На практике и в научной литературе распространена другая, внесистемная, единица экспозиционной дозы - рентген (Р). Один рентген - это доза фотонного излучения, при которой в I см³ сухого воздуха в процессе ионизации образуется 2,079 • 10⁹ пар ионов каждого знака (или 1,61 • 10¹⁵ пар ионов в 1 кг воздуха).

Соотношения между единицами экспозиционной дозы (табл.3 Приложения): 1Р (1 рентген) = 2,58 • 10^-4Кл • кг^-1; 1Кл • кг^-1 (1 кулон) = 3,88 • 10³Р. Экспозиционная доза - специфическая величина в дозиметрии и используется только для оценки внешнего рентгеновского или γ-излучения.

Энергетический эквивалент экспозиционной дозы составляет: для воздуха 1Р = 0,84рад, для воды и биологических тканей 1Р = 0,93 - 0,96рад в зависимости от энергии γ-фотонов. Это означает, что если живой объект находится в некотором пространстве, в котором экспозиционная доза за определенное время оценивается значением 1Р (рентген), поглощенную дозу, полученную этим объектом, следует приблизительно оценить в 1 рад.

Экспозиционная доза корректна только для воздуха - объекта с практической точки зрения менее интересного и значимого, чем биологические объекты (органы, ткани, организмы). Кроме того, интерпретация экспозиционной дозы на биологические объекты носит лишь приблизительный характер. В связи с этим экспозиционной дозой в современной дозиметрии рекомендуется не пользоваться и в последнем варианте НРБ-99 этот вид дозы и ее мощность не упоминаются. С другой стороны, в силу многолетней традиции в радиологии, биологии и медицине этим видом дозы ионизирующего излучения и ее внесистемной единицей «рентген» пользуются достаточно широко. К примеру, фоновый уровень мощности дозы на той или иной территории Российской Федерации в СМИ до настоящего времени приводится в мкР/час.

Эквивалентная доза. Установлено, что биологическое действие одинаковых доз различного вида излучений на организм неодинаково. Биологический эффект облучения при прочих равных условиях различен для разных видов излучения прежде всего потому, что он определяется не только величиной поглощенной энергии, но и характером распределения этой энергии в облучаемом объекте.

Разные виды излучений создают ионы с неодинаковым пространственным распределением. Например, ά-частица, обладая значительными величинами размера, массы, заряда и энергии, по сравнению с β-частицей характеризуется большими значениями линейной плотности ионизации (ЛПИ) и создает на единице пути в ткани гораздо больше ионов. При одной и той же поглощенной энергии (поглощенной дозе) биологический эффект будет несоизмеримо больше при более высокой плотности ионизации.

Для сравнения биологических воздействий, вызванных различными видами излучения, используется понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ), которое показывает, во сколько раз радиобиологический эффект данного вида излучения больше радиобиологического эффекта образцового излучения при одной и той же поглощенной дозе:

ή = D/D_обр, где

ή - относительная биологическая активность,

D_обр и D - поглощенные дозы, соответственно, образцового и данного излучения.

За образцовое излучение принимают рентгеновское излучение с энергией фотонов 200кэВ. Очевидно, что для образцового излучения ή=1 величина ОБЭ зависит в основном от плотности ионизации или размеров потерь энергии на единицу длины пути ионизирующей частицы - показателя линейных потерь энергии (ЛПЭ). С ростом ЛПЭ излучения увеличивается вероятность повреждений биологических тканей и, что немаловажно, снижается способность к самовосстановлению повреждений. ОБЭ проявляет зависимость также и от скорости частиц излучения: чем меньше скорость, тем выше ОБЭ.

Для определения дозы ионизирующего излучения с учетом биологического эффекта на практике используют не относительную биологическую эффективность, а регламентированный ОБЭ-показатель, который называют взвешивающим коэффициентом (W_R), а доза в этом случае называется эквивалентной дозой Н_Т,R, ее рассчитывают следующим образом:

Н_Т,R = D_T,R • W_R

где W_R - взвешивающий коэффициент для излучения R.

D_T,R - средняя поглощенная доза в органе или ткани Т, т.к. эквивалентная доза излучения рассчитывается для «средней» ткани организма человека.

Взвешивающие коэффициенты для расчета эквивалентной дозы (для отдельных видов излучения) в соответствии с Нормами радиационной безопасности -99 приведены в табл.3.

Таблица 3

Взвешивающие коэффициенты (W_R) для отдельных видов излучения

при расчете эквивалентной дозы (по НРБ-99)

Фотоны любых энергий
Электроны и мюоны любых энергий
Нейтроны с энергией менее 10кэВ От 10кэВ до 100кэВ От 100кэВ до 2 МэВ От 2МэВ до 20МэВ Более 20Мэв
Протоны с энергией более 2МэВ, кроме протонов отдачи
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра

Примечание: все значения относятся к излучению, падающему на тело, а в случае внутреннего облучения – испускаемому при ядерном превращении

Эквивалентная доза излучения Н_T,R - это поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, т е. коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани.Эквивалентная доза учитывает различия в биологическом действии излучений различного вида в соответствии с их относительной биологической эффективностью. Эквивалентную дозу в СИ выражают в зивертах (Зв). Внесистемная единица измерения - бэр (биологический эквивалент рада), 1 бэр = 0,01Зв. Один зиверт равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на средний взвешивающий коэффициент составляет 1Дж/кг.

В случаях, когда на объект воздействуют разные виды излучений с различными взвешивающими коэффициентами, эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения:

Эффективная эквивалентная доза. Различные органы и ткани живых организмов обладают разной чувствительностью к воздействию ионизирующих излучений (табл. 4).

Таблица 4

Значения взвешивающих коэффициентов (W_T) или коэффициентов