Биологические эффекты доз облучения. Предельные дозы
Дозиметрия. Дозы облучения. Мощность дозы
Необходимость количественной оценки действия ионизирующего излучения на различные вещества живой и неживой природы привела к появлению 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. Поглощённая энергия - первопричина всех последующих 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 (D) – величина, равная отношению энергии DЕ, переданной элементу облучаемого вещества, к массе Dm этого элемента:
D = DE/Dm. (34.1)
В СИ единицей поглощенной дозы является грей (Гр), названная 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 = 10–2 Гр).
Эквивалентная доза
Величина поглощенной дозы учитывает только энергию, переданную облучаемому объекту, но не учитывает "качество излучения". Понятие качества излучения характеризует 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 радиационной опасности
Коэффициент качества (К) показывает, во сколько раз биологического действие данного вида излучения больше, чем действие фотонного излучения, при одинаковой поглощенной дозе.
Коэффициент качества – безразмерная величина. Его значения для некоторых видов излучения приведены в табл.34.1
Таблица 34.1.
Значения коэффициента качества
| Вид излучения | К |
| 1. Рентгеновское и g–излучение | |
| 2. b–излучения | |
| 3. Протоны с энергиями более 2 МэВ | |
| 4. a–излучение |
Эквивалентная доза (Н) равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент качества для данного вида излучения:
Н = К×D. (34.2)
В СИ 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 излучения, то их эквивалентные дозы (Нi) суммируются:
Н = SНi = SKi·Di,
где Di – поглощенная доза излучения i-того вида; Кi – коэффициент качества для данного вида излучения.
Эффективная доза
При общем однократном облучении организма разные органы и ткани обладают различной чувствительностью к действию радиации. Так, при одинаковой эквивалентной дозе риск генетических повреждений наиболее вероятен при облучении репродуктивных органов. Риск возникновения рака легких при воздействии a-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 bT (Т – индекс органа или ткани), приведенные в табл. 34.2.
Таблица 34.2.
Значения весовых коэффициентов органов и тканей при расчете эффективной дозы
| Органы и ткани | bT | Органы и ткани | bT |
| 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 |
| Мочевой пузырь | 0,05 | ||
| Грудная железа | 0,05 | 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:
Нэф = SbT·НТ.
Суммирование ведется по всем тканям, перечисленным в табл. 34.2.
Эффективные дозы, как и эквивалентные дозы, измеряются в берах 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 рентгеновскими и g-лучами.
Экспозиционная доза (Х) равна заряду всех положительных ионов, образующихся под действием излучения в единице массы воздуха при нормальных условиях.
В СИ единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). Кулон – это очень большойзаряд. Поэтому на практике пользуются внесистемной единицей экспозиционной дозы, которая называется рентгеном (Р). 1 Р = 2,58×10–4 Кл/кг. При экспозиционной дозе 1 Р в результате ионизации в 1 см3 сухого воздуха при нормальных условиях образуется 2,08×109 пар ионов.
Связь между поглощенной и экспозиционной дозами выражается соотношением:
D = f×X, (34.3)
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 ниже.
Значения переводного коэффициента
| D (рад) = f×X (Р) | |
| 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 обуславливает удобство использования внесистемных единиц рад и Р.
Соотношения между различными дозами выражаются следующими формулами:
| Экспозиционная доза (X) | Поглощенная доза излучения (D) | Эквивалентная доза (Н) |
| D = f×X | 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. NХ = X/t. NН = Н/t. (34.4)
Если источник излучения можно считать точечным, то мощность экспозиционной дозы прямо пропорциональна активности радионуклида (А) и обратно пропорциональна квадрату расстояния до точки облучения (r):
NХ = kg A/r2, (34.5)
где kg - гамма-постоянная, характерная для данного радиоактивного препарата.
Ниже приведены соотношения между единицами доз.
| Доза | Единицы в СИ | Внесистемные единицы |
| Экспозиционная доза | Кл/кг Кл/кг=3876 Р | Р (рентген) 1 Р = 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 = 100рад/с | рад/с = 0,01Гр/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 излученияс различной эквивалентной дозой указано в табл. 34.3.
Таблица 34.3.