Дозиметрические величины и их единицы

Для количественной оценки воздействия ионизирующего излучения на облучаемый объект в дозиметрии введено понятие дозы.

Доза излучения – мера воздействия излучения на вещество. Предмет дозиметрии – измерения и расчеты доз.

Экспозиционная доза. В качестве характеристики воздействия фотонного излучения с энергией от 5 кэВ до 3 МэВ на окружающую среду используют экспозиционную дозу Х.

Экспозиционная доза Х фотонного излучения – это отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, образованных в сухом атмосферном воздухе (при полном торможении вторичных электронов и позитронов) в элементарном объеме dV, к массе воздуха dm в этом объеме:

. (6.4)

В СИ экспозиционная доза измеряется в кулонах на килограмм (Кл/кг), а внесистемная единица - рентген (Р). Рентген – это доза фотонного излучения, при какой в 1 см³ сухого атмосферного воздуха в результате ионизации при нормальных условиях (температура 0°С, давление 101,3 кПа или 760 мм рт. ст.) образуется заряд q, равный 3,34 × 10^-10 Кл каждого знака, что соответствует образованию 2,08 × 10⁹ пар ионов. Так как 1 см³ воздуха имеет массу 1,29 × 10^-6 кг, то

1 Р = 3,34 × 10^-10 / 1,29 × 10^-6 = 2,58 × 10^-4 Кл/кг.

Таким образом, 1 Р = 2,58 × 10^-4 Кл/кг;

1 Кл/кг = 3,88 × 10³ Р.

Дольные единицы: 1 мкР = 10^-6 Р и 1 мР = 10^-3 Р.

В условиях лучевого равновесия заряженных частиц экс-позиционной дозе 1 Кл/кг соответствует поглощенная доза 33,8 Гр в воздухе и 36,9 Гр в биологической ткани.

Дозе в 1 Р соответствует поглощенная доза 0,87 рад в воздухе или 0,96 рад в биологической ткани. Поэтому в тканях с погрешностью до 5% экспозиционную дозу в рентгенах и поглощенную дозу в радах можно считать одинаковыми.

Мощность экспозиционной дозы (МЭД) фотонного излучения - это отношение приращения экспозиционной дозы dХ за интервал времени dt к этому интервалу времени:

= . (6.5)

Единицей мощности экспозиционной дозы является 1 Кл/(кг×с) или 1 А/кг (А - ампер). Чаще употребляются дольные единицы, например, мкА/кг в СИ и внесистемные 1 Р/ч или 1 мкР/ч.

На территории Беларуси до аварии на Чернобыльской АЭС мощность экспозиционной дозы (естественный радиационный фон) в различных районах составляла от 2 до 12 мкР/ч (0,02–0,12 мкЗв/ч). В настоящее время в некоторых населенных пунктах, находящихся на загрязненных радионуклидами территориях, значения МЭД имеют повышенные значения.

Поглощенная доза. Экспозиционная доза количественно характеризует облучение воздуха и лишь косвенное – об облучении других материальных тел. Воздействие на эти тела оказывает только та часть излучения, которая в них поглощается.

Поглощенная доза излучения D - это отношение средней энергии , переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом же объеме

D = / dm. (6.6)

Эта величина позволяет количественно оценить воздействие различных видов излучений в любой среде. В СИ поглощенную дозу излучения измеряют в греях (Гр). Один грей соответствует поглощенной дозе излучения при которой веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения, равная 1 Дж (1 Гр = 1 Дж/кг).

Внесистемная единица поглощенной дозы - рад. Один рад соответствует поглощеной дозе излучения, при которой веществу массой 1 г передается энергия ионизирующего излучения равная 100 эрг (1 эрг = 10^-7 Дж).

Таким образом, 1 рад = 100 эрг/г = 1 × 10^-2 Дж/кг = 1 сГр;

1 Гр = 100 рад.

Дольные единицы: мкГр, мГр, мкрад, мрад.

Скорость нарастания облучения вещества характеризуется мощностью поглощенной дозы .

Мощность поглощенной дозы – отношение приращения поглощенной дозы dD за интервал времени dt к этому интервалу:

= . (6.7)

Мощность поглощенной дозы в СИ измеряется в греях в секунду (1 Гр/c = 1 Дж/(кг × с), а внесистемная единица - 1 рад/c.

Эквивалентная доза. Из-за разной ионизирующей способности альфа-, бета- и гамма-излучения даже при одной и той же поглощенной дозе оказывают разное поражающее биологическое действие. Различие в величине радиационного воздействия можно учесть, приписав каждому виду излучения свой взвешивающий коэффициент излученияW_R (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Взвешивающие коэффициенты W_R для отдельных видов
ионизирующего излучения

Вид излучения	WR
Рентгеновское и g-излучение (любых энергий)
Бета-излучение (электроны, позитроны)
Нейтроны с энергией:
менее 10 кэВ
от 10 кэВ	до 100 кэВ
от 100 кэВ	до 2 МэВ
от 2 МэВ	до 20 МэВ
более 20 МэВ
Протоны с энергией более 2 МэВ
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра

Из табл. 6.1 видно, что g-кванты и электроны поражают органическую ткань одинаково и для них взвешивающий коэффициент W_R = 1, а для a-частиц W_R = 20.

Таким образом, взвешивающий коэффициент (коэффициент качества излучения)W_R излучения характеризует степень разрушительного воздействия на биологический объект и показывает, во сколько раз данный вид излучения более опасен, чем фотонное излучение при одинаковой поглощенной дозе D.

Для оценки степени радиационной опасности воздействия ионизирующего излучения, когда облучение равномерно по всем тканям организма применяют понятие эквивалентной дозы.

Эквивалентная доза Н_Т,R определяется как произведение средней поглощенной дозы D_Т,R в органе или в ткани Т на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения W_R

Н_Т,R = W_R D_Т,R.(6.8)

Единицей эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв). На практике чаще используются дольные единицы: 1 мЗв = 10^–3 Зв; 1 мкЗв = 10^–6 Зв.

В соответствии с формулой (6.8) для ионизирующего излучения со взвешивающим коэффициентом равным единице W_R= 1

1 Зв = 1 Гр = 1 Дж/кг.

В качестве внесистемной единицы эквивалентной дозы применяется бэр (биологический эквивалент рада):

1 Зв = 100 бэр; 1 бэр = 0,01 Зв = 1 сЗв; 1 мЗв = 0,1 бэр.

При воздействии различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза Н_Т определяется как сумма эквивалентных доз Н_Т,R для этих видов излучения:

Н_Т = . (6.9)

Мощность эквивалентной дозы - отношение приращения эквивалентной дозы dН_Т за промежуток времени dt к этому времени:

= . (6.10)

Единица мощности эквивалентной дозы в системе СИ - Зв/с или Зв/ч. Внесистемная единица - бэр/с или бэр/ч.

Эквивалентная доза рассчитывается для какой-то условной усредненной ткани тела человека. Связь между системными и внесистемными единицами приведена в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Связь между единицами доз

Доза	Единицы	Перевод
в системе СИ	внесистемные
Экспозиционная	Кулон на килограмм воздуха (Кл/кг)	Рентген (Р)	1 Кл/кг = 3876 Р
Поглощенная	Грей (Гр)	Рад	1 Гр = 100 рад
Эквивалентная	Зиверт (Зв)	Бэр	1 Зв = 100 бэр

Эффективная доза. Когда облучение разных тканей организма неоднородно, то для оценки его воздействия на весь организм вводится понятие эффективной дозы. Это величина воздействия ионизирующего излучения, используемую как меру риска возникновения отдаленных последствий облучения организмачеловека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности.

Эффективная доза Е – это сумма произведений эквивалентной дозы Н_Т в органах и тканях Т на соответствующие взвешивающие коэффициенты:

Е = , (6.11)

где W_T – взвешивающий коэффициент (коэффициент радиационного риска), равный отношению риска облучения данного органа или ткани Т к суммарному риску при равномерном облучении всего тела.

Эффективная доза Е, как и эквивалентная доза Н, измеряется в зивертах (бэрах).

Коэффициенты W_T позволяют учесть эффект облучения вне зависимости от того, облучается все тело равномерно или неравномерно. Значения взвешивающих коэффициентов для тканей и органов приведены в табл. 6.3. Сумма взвешивающих коэффициентов для всего организма равняется единице .

Взаимосвязь между дозиметрическими и радиометрическими величинами. Радиометрические величины характеризуют распределение источников радиации. Основной радиометрической величиной является активность источника, измеряемая в СИ в беккерелях (Бк) либо в кюри. (Ки – внесистемная единица). Величины, связанные с активностью, характеризующие распределение радионуклидов: поверхностная активность (активность источника, приходящаяся на единицу площади, измеряемая в Бк/м², Ки/км² или уровеньзагрязненности поверхности); объемная активность (Бк/л, Ки/л): удельная или массовая (Бк/кг, Ки/кг) активность продуктов питания.

Таблица 6.3

Значения взвешивающего коэффициента W_T (коэффициента

радиационного риска) при равномерном облучении всего тела

Орган или ткань	WT
1. Красный костный мозг	0,12
2. Толстый кишечник	0,12
3. Легкие	0,12
4. Желудок	0,12
5, Молочная железа	0,12
6. Остальные ткани*	0,12
7. Половые железы (гонады)	0,08
8. Мочевой пузырь	0,04
9. Пищевод	0,04
10. Печень
11. Щитовидная железа	0,04
12. Костная поверхность	0,01
13. Кожа	0,01
14. Головной мозг	0,01
15. Слюнные железы	0,05
Всего:	1,00

*Остальные ткани: надпочечники, ткани экстраторакального отдела, жёлчный пузырь, сердце, почки, лимфоузлы, мышечная ткань, слизистая полости рта, поджелудочная железа, тонкий кишечник, селезёнка, тимус, предстательная железа (мужчины), матка/шейка матки (женщины).

В настоящее время имеется три основных радиоактивных элемента, обуславливающих фон и загрязнение среды: ¹³⁷Cs – источник гамма-излучения (энергия фотонов 662 кэВ) и бета-излучения (граничная анергия 520 кэВ), ⁹⁰Sr – источник бета-излучения (граничные энергии двух бета-переходов 546 кэВ и 2274 кэВ), ²³⁹Pu – источник альфа-излучения (энергия альфа-частиц 5,1 МэВ). Поскольку различные виды излучения обладают различной поражающей способностью, при исследовании загрязнения важно различать содержание g-, b- и a-активных радионуклидов. Универсальных приборов, позволяющих в полной мере решать эту задачу, нет. Радиометрический контроль чаше всего реализуется по гамма-излучению цезия-137; радиометрия бета- и альфа-излучения требует, как правило, радиохимического выделения элементов.

Более детальные данные, характеризующие эту связь, представлены в табл. 6.4.

Таблица 6.4