Дозовые характеристики ионизирующих излучений

Объектом защиты от ИИ является человек. Мерой воздействия ИИ на человека является доза. Дозы могут быть индивидуальными и коллективными.

Различают следующие виды доз: экспозиционная, керма, поглощенная, эффективная, эквивалентная.

Экспозиционная дозаХ – это отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в сухом воздухе, когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном объеме воздуха с массой dm, полностью остановились в воздухе, к массе воздуха в этом объеме:

Х = dQ/dm

(86)

Единицы измерения: Кл/кг; рентген. [1Р = 2,58·10^-4 Кл/кг].

Понятием экспозиционной дозы желательно пользоваться для фотонного излучения в воздухе, при энергии фотонов до 3 Мэв.

В иностранной литературе экспозиционную дозу называют также - ионной. Слова в определении экспозиционной лозы о том, что электроны и ионы полностью остановились, указывают на то, что при определении этого вида дозы следует учитывать и вторичные ионы, и электроны, появившиеся от ионизированного воздействия первичных ионов и электронов.[23] Кроме того, предполагается, что сухой воздух имеет плотность 1,293 кг/м³ и температуру 273^оК при давлении 101,3 кПа. [1 Р = 2,58710-4 Кл/кг]; [1Кл/кг = 3876 Р].

В настоящее время (с 1.01.1990г.) использование экспозиционной дозы не рекомендуется. Это связано с тем, что экспозиционная доза была введена только для фотонного излучения, поэтому она не может использоваться в полях смешанного излучения разных видов.

Для оценки воздействия на среду косвенно ионизирующих излучений всех видов используют понятие «керма» (kerma – аббревиатура от английских слов kinetic energy released in material).

Керма К – это отношение суммы первоначальных кинетических энергий dW_K всех заряженных ионизирующих частиц, образованных под действием косвенно ионизирующего излучения в элементарном объеме вещества к массе dm вещества в этом объеме:

К = dWK / dm [грей].

(87)

Керма удобна тем, что она применима как для фотонов, так и для нейтронов в любом диапазоне доз и энергий излучения. Единицы измерения: грей. 1 Гр = 1 Дж/кг.

Основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия, является поглощенная доза ионизирующего излучения.

Поглощенная доза ионизирующего излученияD -это отношение средней энергии dŴ, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:

D = dŴ/dm [грей].

(88)

т.е. поглощенная доза - это отношение энергии поглощенной веществом, к массе этого вещества. Единицы измерения: грей. 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Для разных видов излучения биологический эффект при прочих равных условиях, в том числе и при одинаковой поглощенной дозе, оказывается различным. Для сравнения биологических эффектов, производимых одинаковой поглощенной дозой различных видов излучения, используют понятие относительной биологической эффективности излучения (ОБЭ).

Под ОБЭ излучения понимают отношение поглощенной дозы образцового рентгеновского излучения, вызывающего определенный биологический эффект, к поглощенной дозе рассматриваемого вида излучения, вызывающего тот же биологический эффект.

Регламентированные значения ОБЭ, установленные для контроля степени радиационной опасности при хроническом облучении, называют коэффициентом качества излучения. В НРБ-99 [24] этот коэффициент получил название «взвешивающий коэффициент для отдельных видов излучения при расчете эквивалентной дозы (W_R)».

В задачах радиационной безопасности для оценки биологического действия излучения любого состава используют понятие «эквивалентная доза». Эквивалентная доза Н_Т,R – это поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, W_R.

НТ,R = WR.× DT,R [Зиверт],

(89)

где D_T,R средняя поглощенная доза в органе или ткани Т,

а W_R – взвешивающий коэффициент для излучения R.

В системе СИ эквивалентная доза измеряется в зивертах. Внесистемной единицей является 1 бэр. 1 Зв = 100 бэр или 1бэр = 0,01 Зв.

При воздействии различных видов излучения эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для каждого из видов излучения:

НТ = ∑ НT,R.[Зиверт], R

(90)

При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Для количественной оценки этого эффекта потребовалось введение понятия коэффициента относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициента качества излучения W_R. Для γ-квантов и β-частиц любых энергий W_R = 1. Для нейтронов от 5 до 10, для α-частиц – 20.

Разные органы или тканиимеют разные чувствительности к излучению. Поэтому в последние годы для случаев неравномерного облучения разных органов или тканей тела человека введено понятие эффективной дозы.

Эффективная доза Е – сумма произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на взвешивающие коэффициенты для этих органов и тканей.

Е = ∑ WT × НТ[Зиверт], Т

(91)

где Н_Т –эквивалентная доза в органе или ткани Т, а W_T – взвешивающий коэффициент для органа или ткани Т. W_T – представляет собой отношение стохастического риска смерти в результате облучения Т-го органа или ткани к риску смерти от равномерного облучения тела при одинаковых эквивалентных дозах. Таким образом, W_T определяет весомый вклад данного органа или ткани в риск неблагоприятных последствий для организма при равномерном облучении. Сумма всех коэффициентов W_T равна единице. При равномерном облучении всего организма эквивалентная доза в каждом органе или ткани одна и та же Н_Т = Н, и, следовательно, Е = Н. Эффективная доза используется как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения организма человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности.

Для определения понятия эффективной эквивалентной дозы необходимо ввести понятие "риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов". Риск - это вероятность возникновения неблагоприятных последствий для генофонда вследствие облучения. Само понятие вероятности предполагает, что риск связан со стохастическим характером повреждения. Эффективная доза - сумма произведений эквивалентной дозы в органе или ткани человека Dэк,т на соответствующий взвешивающий коэффициент Wт для данного органа или ткани:

Wт – взвешивающий фактор, представляющий собой отношение стохастического риска смерти в результате облучения Т-того органа или ткани к риску смерти от равномерного облучения тела при одинаковых эквивалентных дозах. Т.о. Wт определяет весовой вклад данного органа или ткани в риск неблагоприятных последствий для организма при равномерном облучении: ΣWт = 1. Коэффициент Wт имеет следующие значения: половые железы – 0,2; костный мозг – 0,12; кишечник – 0,12, желудок – 0,12, легкие – 0,12; мочевой пузырь – 0,05, молочные железы – 0,05, печень – 0,05, пищевод – 0,05, щитовидная железа – 0,05; кожа – 0,01; кости – 0,01; остальные органы – 0,05. ΣWт=0.2+4×0.12+5×0.05+0.07=1. Единицы измерения ЭфД – зиверт.

Эквивалентная и эффективная дозы характеризуют меру ожидаемого эффекта облучения для одного индивидуума, они являются индивидуальными дозами. Для оценки стохастических ожидаемых эффектов облучения групп людей часто используется эффективная коллективная доза.

Эффективная коллективная доза(S)это эффективная доза, полученная группой людей от какого-либо источника радиации.Эффективная коллективная доза является меройколлективного риска возникновения стохастических эффектов облучения. Она равна сумме индивидуальных эффективных доз. Единица измерения эффективной коллективной дозы – человеко-зиверт (чел-Зв), внесистемная – человеко-бэр (чел-бэр):

(92)

n – число людей.

Мощность дозы (уровень радиации) – это отношение приращения дозы (D, K, X, H, E, S) за интервал времени dt к величине этого интервала.

Мощность экспозиционной дозы: [Р/час] Мощность кермы: [Гр/час] Мощность поглощенной дозы [Гр/час] Мощность эквивалентной дозы [Зв/час] Мощность эффективной дозы Ê = dE/dt [Зв/час]

(93) (94) (95) (96) (97)

При проведении практических расчетов обычно дозу, вне зависимости от ее вида обозначают буквой D, а мощность дозы обозначают буквой Р.

Применив степенную зависимость Вигнера – Вея, получим:

(98)

Р₀ – мощность дозы в момент времени t₀;

Р_t – мощность дозы в момент времени t.

Для ядерного взрыва (n = 1,2):	D = 5,0×( Рн tн∙– Рк tк∙)	(99)
Для радиационной аварии (n = 0,4):	D = 1,7×( tк∙Рк – tн∙Рн)	(100)