Биологические эффекты доз облучения. Предельные дозы
ДОЗИМЕТРИЯ. ДОЗЫ ОБЛУЧЕНИЯ. МОЩНОСТЬ ДОЗЫ
Необходимость количественной оценки действия ионизирующего излучения на различные вешества живой и неживой природы привела кпоявлению дозиметрии.
Дозиметрия - раздел ядерной физики и измерительной техники, в котором изучают величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения.
Процессы взаимодействия излучения с тканями протекают по-разному для различных типов излучений и зависят от вида ткани. Но во всех случаях происходит преобразование энергии излучения в другие виды энергии. В результате часть энергии излучения поглощается веществом. Поглощенная энергия— первопричина всех пос-ледующих процессов, которые в конечном итоге приводят к биологическим изменениям в живом организме. Количественно действие ионизирующего излучения (независимо от его природы) оценивается по энергии, переданной веществу. Для этого используется специальная величина — доза излучения(доза — порция).
Поглощенная доза
Поглощенная доза (Б) — величина, равная отношению энергии DЕ, переданной элементу облучаемого вещества, к массе Dm этого элемента:
D = DЕ/Dm.
В SI единицей поглощенной дозы является грей (Гр), в честь английского физика-радиобиолога Луи Гарольда Грея. 1 Гр — это поглощенная доза ионизирующего излучения любого вида, при которой в 1 кг массы вещества поглощается энергия 1 Дж энергии излучения. В практической дозиметрии обычно пользуются внесистемной единицей поглощенной дозы - рад (1 рад = 10-2Гр).
Эквивалентная доза
Величина поглощенной дозы учитывает только энергию, переданную облучаемому объекту, но не учитывает «качество излучения». Понятие качества излучения характерйзует способность данного вида излучения производить различные радиационные эффекты. Для оценки качества излучения вводят параметр - коэффициент качества (quality factor). Он является регламентированной величиной, его значения определены специальными комиссиями и включены в международные нормы, предназначенные для контроля над радиационной опасностью.
Коэффициент качества (К) показывает, во сколько раз биологическое действие данного вида излучения больше, чем действие g или рентгеновского излучения, при одинаковой поглощенной дозе.
Коэффициент качества - безразмерная величина. Его значения для некоторых видов излучения приведены в табл. 1.
Таблица 1.Значения коэффициента качества
| Вид излучения | К |
| 1. g- и рентгеновское излучения | |
| 2. b-излучение | |
| 3. Протоны с энергиями более 2 МэВ | |
| 4. α —излучение |
Эквивалентная доза (Н) равна поглощенной дозе, умножeнной на коэффициент качества для данного вида излучения:
Н = К×D
В SI единица эквивалентной дозы называется зивертом (Зв) в честь шведского специалиста в области дозиметрии и радиационной безопасности Рольфа Максимилиана Зиверта. Наряду с зивертом используется и внесистемная единица эквивалентной дозы - бэр (биологический эквивалент рентгена): 1 бэр = 10-2 Зв.
Если организм подвергается действию нескольких видов излучешоі, то их эквивалентные дозы (Н) суммируются: H= ΣHi = ΣKi×Di ,
где Di - поглощенная доза излучения і-го вида; Кi - коэффициент качества для данного вида излучения.
Эффективная доза
При общем однократном облучении организма разные органы иткани обладают различной чувствительностью к действию радиации. Так, при одинаковой эвивалентной дозе риск генетических повреждений наиболее вероятен при облучении репродуктивных органов. Риск возникновения рака легких при воздействии α -излучения радона в равных условиях облучения выше, чем риск возникновения рака кожи и т.д. Поэтому понятно, что дозы облучения отдельных элементов живых систем следует рассчитывать с учетом их радиочувствительности. Для этого используются весовые коэффициенты Ьт ( т - индекс органа или ткани), приведенные в табл. 2.
Таблица 2.Значения весовых коэффициентов органов и тканеи при расчете эффективной дозы
| Органы и ткани | Ьг | Органы и ткани | ьт |
| Гонады | 0,20 | Печень | 0,05 |
| Красный костный мозг | 0,12 | Пищевод | 0,05 |
| Тонкая кишка | 0,12 | Щитовидная железа | 0,05 |
| Легкие | 0,12 | Кожа | 0,01 |
| Желудок | 0,12 | Клетки костных поверхностей | 0,01 |
| Грудная железа | 0,05 | Мочевой пузырь Остальное | 0,05 |
Эффективная доза (Нэф) - это величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека с учетом радиочувствительности отдельных его органов и тканей.
Эффективная доза равна сумме произведений эквивалентных доз в органах и тканях на соответствующие им весовые коэффициенты
HЭФ = ΣbT× HT,
Суммирование ведется по всем тканям, перечисленным в табл.2. Эффективные дозы, как и эквивалентные, измеряются в бэрах и зивертах.
Экспозиционная доза
Поглощенная и связанная с ней эквивалентная дозы облучения характеризуют энергетическое действие радиоактивного излучения. В качестве характеристики ионизирующего действия излучения используют другую величину, называемую экспозиционной дозой.Экспозиционная доза является мерой ионизации воздуха рснтгеновскими и g-лучами.
Экспозиционная доза (X) равна заряду всех положительных ионов. образующихся под действием излучения в единице массы воздуха при нормальных условиях.
В SI единицей экспозиционной дозы является Кулон на килограмм (Кл/кг). Кулон - это очень большой заряд. Поэтому на практикс пользуются внесистемной единицей экспозиционной дозы, которая называется рентгеном (Р), 1 Р = 2,58×10-4 Кл/кг. При экспозиционной дозе 1Р в результате ионизации в 1см3сухого воздуха при нормальных условиях образуется 2,08×109 пар ионов.
Связь между поглощенной и экспозиционной дозами выражается соотношением
D =f×X,
где f — некоторый переводной коэффициент, зависящий от облучаемого вещества и длины волны излучения. Кроме того, величина f зависит от используемых единиц доз.Значения f для единиц рад и рентген приведены в табл.3.
Таблица 3. Значения переводного козффициента из рентген в рад
| D =f×X | |
| Вещество | f, рад/Р |
| Воздух при нормальных условиях | 0,88 |
| Вода и мягкие ткани | » 1 |
| Костная ткань (величина f растет при увеличении длины волны) | 1-4,5 |
В мягких тканях f » 1, поэтому поглощенная доза излучения в радах численно равна соответствующей экспозиционной дозе в рентгенах. Это обусловливает удобство использования внесистемных единиц рад и Р.
Соотношения между различными дозамивыражаются следующими формулами:
| Экспозиционная доза (X) | Поглощенная доза излучения (D) | Эквивалентная доза (Н) |
| D= f ×Х | H = K×D |
Мощность дозы
Мощность дозы (N) - величина, определяющая дозу, полученную объектом за единицу времени.
При равномерном действии излучения мощность дозы равна отношению дозы ко времени t, в течение которого действовало ионизирующее излучение:
ND = D/t, NX = X/t, NH = H/t.
Если источник излучения можно считать точечным, то мощность экспозиционной дозы прямо пропорциональна активности радионуклида (А) и обратно пропорциональна квадрату расстояния до точки облучения ( r):
NX = kgA/r2
где к — гамма-постоянная, характерная для данного радиоактивного препарата.
В табл.4 приведены соотношения между единицами доз.
Таблица 4.Соотношения между единицами доз
| Доза | Единииы вСИ | Внесистемные единицы |
| Экспозиционная доза | Кл/кг Кл/кг = 3876 Р | Р(рентген) 1Р=2,58 ×10-4 Кл/кг |
| Мощность экспозиционной дозы | Кл/(кг×с) =А/кг (ампер на кг) | Р/с = 2,58 ×10-4 Кл/кг |
| Поглощенная доза | Дж/кг = Гр (грей) 1 Гр=100 рад | рад 1 рад = 10-2 Гр |
| Мощность поглощенной дозы | Гр/с = 100 рад/с | рад/с = 0,01 Гр/с |
| Эквивалентная доза | Зв (зиверт) 1 Зв = 100 бэр | бэр 1 бэр = 10-2 Зв |
| Мощность эквивалентной дозы | Зв/с = 100 бэр/с | бэр/с = 10-2 Зв/с |
Биологические эффекты доз облучения. Предельные дозы
Биологическое действие излучения с различной эквивалентной дозой указано в табл.
| Эквивалентная доза, бэр | Биологический эффект |
| 5-10 | Регистрация отдельных мутаций |
| 10-25 | Для взрослого человека видимых нарушений нет, для эмбриона могут быть поражения мозга |
| 25-50 | Временная мужская стерилизация. Возможны изменения в крови |
| 50-100 | Обязательно есть изменения в крови; нарушение иммунитета |
| 100-200 | Иммунодефицитное состояние |
| 200-400 | Потеря трудоспособности, инвалидизация |
| 400-500 | Тяжелое поражение костного мозга, 50-процентная смертность |
| 600-1000 | Тяжелое поражение слизистой кишечника; 100% смертность в течение 3—12 дней |
| 1000-10000 | Коматозное состояние; смерть через 1—2 часа |
| Н > 10000 | Смерть под лучом |
Предельные дозы
Нормы радиационной безопасности устанавливают предельные дозы (ПД) облучения, соблюдение которых обеспечивает отсутствие клинически выявляемых биологических эффектов облучения.
Пределтая доза — величина годовой эффективной дозы техногенного облучения, которая не должна превышаться в условиях нормальной работы.
Величины предельных доз (ПД) различны для персонала и населения. Персонал— это лица, работающие с техногенными источниками излучения (группа А) и находящиеся по условиям работы в сфере их воздействия (группа Б). Для группы Б все пределы доз установлены вчетверо меньшими, чем для группы А.
Для населения пределы доз меньше в 10-20 раз, чем для группы А. Значения ПД приведены в табл. 34.6.
Таблица 6. Основные предельные дозы
| Нормируемые величины | Предельные дозы | |
| Персонал (группа А) | Население | |
| Эффективная доза (НЭФ) | 20 мЗв/год всреднем за любые последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв/год | 1 мЗв/год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв/год |
| Эквивалентная доза за год: в хрусталике глаза, в коже, в кистях и стопах | 150 мЗв 500 мЗв 500 мЗв | 15 мЗв 50мЗв 50 мЗв |
Естественный (природный) радиационный фон создается естественными радиоактивными источниками: космическими лучами (0,25 мЗв/год); радиоактивностыо недр (0,52 мЗв/год); радиоактивнос-тью пищи (0,2 мЗв/год).
Эффективная доза до 2 мЗв/год (10—20 мкР/ч),получаемая за счет естественного радиационного фона, считается нормальной. Как и при техногенном облучении, высоким считается уровень облучения более 5 мЗв/год. На земном шаре есть места, где природный фон равен 13 мЗв/год.
34.3. Дозиметрические приборы. Детекторыионизирующего излучения
Дозиметры — устройства для измерения доз ионизирующего излучения или величин, связанных с дозами. Дозиметр содержит в себе детектор излучения и измерительное устройство, которое градуировано в единицах дозы или мощности.
Детекторы — устройства, регистрирующие различные виды ионизирующего излучения. Работа детекторов основана на использовании тех процессов, которые вызывают в них регистрируемые частицы. Различают 3 группы детекторов:
1) интегральные детекторы,
2) счетчики,
3) трековые детекторы.