2.2. Дозиметрические величины
Частицы и гамма-излучение, испускаемые радионуклидами, ионизируют окружающую среду: воздух, если радионуклид окружен воздухом, воду, строительные материалы, продукты питания. Когда радионуклиды находятся в человеческом организме, излучения ионизируют биологические ткани. Все это не проходит бесследно для облучаемого вещества.
Дозиметрия – наука, изучающая взаимодействие ионизирующих излучений с облучаемым веществом.
Для оценки эффекта воздействия ионизирующих излучений на окружающую среду и биологические ткани используется несколько дозиметрических величин.
Экспозиционная доза X – энергия ионизирующего излучения, поглощенная в единице массы облучаемого воздуха за время облучения.
При облучении атомы газов, из которых состоит воздух, ионизируются, что приводит к появлению заряженных частиц. Единицей измерения экспозиционной дозы (в СИ) является Кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемной единицей измерения является рентген (Р), названный в честь немецкого физика Вильгельма Рентгена. 1 Р соответствует такой энергии ионизирующего излучения, при поглощении которой в одном кубическом сантиметре облучаемого сухого воздуха (при температуре 0 С и давлении 760 мм ртутного столба) образуется 2,08 миллиардов пар ионов (ионизируется 2,08 млрд. атомов).
Доза 1 Р накапливается в кубическом сантиметре воздуха в течении часа на расстоянии 1 м от радиоактивного источника – образца чистого радия-226 массой 1 г (рис. 5).
Рис. 5. Накопление дозы величиной 1 Р в воздухе
Единица измерения рентген применяется только для рентгеновского и гамма-излучения и только при облучении ими воздуха.
1 Р = 2,58 ·10–4 Кл/кг; 1 Кл/кг = 3,9 ·103 Р.
Когда излучение ионизирует воду, почву, строительные материалы (любые неживые объекты), применяется другая дозиметрическая величина – поглощенная доза.
Поглощенная доза D – энергия ионизирующего излучения, поглощенная в единице массы облучаемого вещества за время облучения.
Единицей измерения поглощенной дозы в СИ принят один джоуль энергии ионизирующего излучения, переданный одному килограмму облучаемого вещества. Этой единице дозы облучения присвоено наименование грей (Гр), в честь английского физика Льюиса Грея: 1 Гр = 1 Дж/кг.
Внесистемной единицей измерения поглощенной дозы является один рад (аббревиатура от английского словосочетания "radiation absorbed dose" – rad):
1 рад = 0,01 Гр; 1 Гр = 100 рад.
Эта единица измерения применяется для любого вида ионизирующих излучений.
До конца сороковых годов ХХ века дозу, полученную человеком, измеряли в радах. Допустим, дозиметр показывает 50 рад – следовательно, человек, постоянно имевший при себе этот дозиметр, тоже получил 50 рад. Но часто встречались ситуации, когда один человек оставался жив и здоров, а другой человек, получивший такую же дозу, быстро погибал. Выяснилось, что эти люди работали с различными источниками излучения. Многочисленные опыты на животных выявили, что разные виды излучения представляют неодинаковую опасность для живых организмов. Дозиметристы ввели особый коэффициент, учитывающий эту опасность – коэффициент качества излучения.
Таблица 2
Коэффициент качества излучения Q:
гамма-излучения |
1 |
рентгеновского излучения |
1 |
бета-излучения |
1 |
нейтронного излучения: тепловые нейтроны быстрые нейтроны |
3 10 |
альфа-излучения |
20 |
Следовательно, для живых организмов необходимо ввести новую величину – она получила название эквивалентной дозы.
Эквивалентная доза H – энергия ионизирующего излучения, поглощенная в единице массы облучаемого живого организма за время облучения с учетом качества излучения.
Единицей измерения эквивалентной дозы в СИ принят один зиверт (Зв), названный в честь шведского радиолога Рольфа Зиверта, определившего значения коэффициентов качества излучения для многих видов ионизирующих излучений. Зиверт равен эквивалентной дозе излучения, при которой поглощенная доза равна 1 Гр и коэффициент качества излучения равен единице:
1 Зв = 1 Гр ·Q = 1 Дж/кг ·1 = 1 Дж/кг.
Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является один бэр (биологический эквивалент рада):
1 бэр = 0,01 Зв; 1 Зв = 100 бэр.
Определить эквивалентную дозу просто: нужно умножить величину поглощенной дозы, измеренную дозиметром, на коэффициент качества излучения:
H = D ·Q. (2)
Пример: человек работал с источником гамма-излучения – его дозиметр показал 50 рад. Этот человек получил дозу H = 50 ·Q = 50 ·1 = 50 бэр.
Для рентгеновского, гамма- и бета-излучения эквивалентная доза равна по величине поглощенной дозе.
Доза, поглощенная организмом, никогда не уменьшается – она может только увеличиваться, медленно или быстро. Скорость накопления дозы характеризует физическая величина – мощность дозы.
Мощность дозы – приращение дозы в единицу времени. Мощность экспозиционной дозы X':
X' = X/t, (3)
где X – экспозиционная доза излучения, Кл/кг; t – время передачи экспозиционной дозы излучения сухому атмосферному воздуху, с.
Единицей измерения мощности экспозиционной дозы в СИ является один ампер на килограмм облучаемого воздуха (А/кг). Внесистемной единицей измерения мощности экспозиционной дозы является рентген в час (Р/ч).
Мощность экспозиционной дозы, измеренная на высоте 1 метр от поверхности земли, называется уровнем радиации на местности. Уровень радиации измеряется в Р/ч, либо в производных единицах: мР/ч и мкР/ч.
Мощность поглощенной дозы D':
D' = D/t, (4)
где D – поглощенная обученным веществом доза излучения за время t.
Единицы измерения: в СИ – 1 Гр/с; внесистемная – 1 рад/ч.
Мощность эквивалентной дозы H':
H' = H/t, (5)
где H – эквивалентная доза излучения.
Единицы измерения: в СИ – 1 Зв/с; внесистемная – 1 бэр/ч.
Для упрощения процедуры определения дозы, полученной организмом человека в зараженной зоне, можно принять следующее допущение: для мягких тканей в поле рентгеновского или гамма-излучения поглощенная доза 1 рад примерно соответствует экспозиционной дозе 1Р – 1 Р ≈ 1 рад (точно 1 Р = 0,88 рад; 1 рад = 1,12 Р). Следовательно, учитывая коэффициент качества излучения, равный 1, можно утверждать, что 1 Р ≈ 1 бэр (только для рентгеновского и гамма-излучения).
Когда уровень радиации с течением времени не меняется (естественный фон), задача определения дозы, полученной организмом человека за некоторый промежуток времени, решается просто. Допустим, мощность экспозиционной дозы (уровень радиации) гамма-излучения на местности составляет 10 мкР/ч. Для гамма-излучения коэффициент качества излучения Q равен единице. Следовательно, мощность эквивалентной дозы будет приблизительно равна мощности экспозиционной дозы – примерно 10 мкбэр/ч. Это означает, что люди, постоянно находящие на этой местности, будут получать каждый час дозу 10 мкбэр. Например, человек пребывал на такой местности три часа – доза, поглощенная его организмом, составит 30 мкбэр (0,3 мкЗв).
Радиометрические и дозиметрические величины, перечисленные выше, тесно взаимосвязаны:
1. Концентрация любых радиоактивных веществ в продуктах питания, воде, воздухе или в организме человека измеряется в беккерелях на килограмм (литр) (Бк/кг(л)) или в кюри на килограмм (литр) (Ки/кг(л)). Загрязненность радионуклидами поверхностей измеряется в беккерелях на сантиметр квадратный (Бк/см2) или в кюри на километр квадратный (Ки/км2).
2. Испускаемые альфа-, бета- или нейтронным источником частицы образуют поток, плотность (интенсивность) которого определяется числом частиц, покидающих каждый квадратный метр излучающей поверхности в секунду (част./с·м2).
3. Пространство вокруг радиоактивного источника "заполнено" излучением, интенсивность которого характеризуется мощностью дозы (или уровнем радиации). Измеряется мощность дозы в рентгенах в час (Р/ч) (для воздуха) или в бэрах в час (бэр/ч) (для живых организмов).
4. Преодолев определенное расстояние, излучение достигает организма человека (если человек подвергается внешнему облучению) и поглощается в нем. Количество поглощенного организмом излучения характеризуется эквивалентной дозой, которая измеряется в зивертах (Зв) или в бэрах (бэр). Эта величина характеризует и внутреннее облучение (когда радиоактивные вещества облучают организм изнутри, проникнув туда вместе с водой, воздухом или продуктами питания) (рис. 6).
Таблица 3