Экспозиционная доза излучения

Практическое применение рентгеновского излучения началось еще до того, как была от­крыта радиоактивность. Уже на ранних ста­диях радиационных исследований было при­нято использовать в качестве количественной меры экспозиционной дозы значение эффекта ионизации воздуха, вызываемой рентгеновс­ким излучением. Это было удобно, так как эффективный атомный номер воздуха и био­логической ткани приблизительно одинаков и поэтому можно было ожидать, что в обоих слу­чаях будет иметь место сходная реакция на действие рентгеновского излучения. Единицу экспозиционной дозы рентгеновского излуче­ния назвали рентгеном (Р). Доза 1 Р создает в 1 кг воздуха суммарный заряд ионов одного знака, равный 2,58•10^-4 Кл. Поскольку в СИ экспозиционная доза фотонного излучения вы­ражается в кулонах на килограмм (Кл/кг), Генеральная конференция 1975 г. признала нецелесообразным дальнейшее употребление рентгена. Тем не менее на практике и рентген и миллирентген широко используются до на­стоящего времени, причем представляется ма­ловероятным, что эти единицы полностью вый­дут из употребления и по истечении установ­ленного 10-летнего периода.

Поглощенная доза излучения

Ни беккерель, ни кулоны на килограмм массы не могут рассматриваться в качестве подходящей единицы для измерения биологи­ческого воздействия ионизирующего излуче­ния, так как они не выражают действительно­го количества энергии, поглощенной живой тканью. Если при воздействии ионизирующего излучения на какой-то организм экспозицион­ная доза составила 1 Кл/кг, это не означает, что ткани данного организма поглотили боль­шое количество энергии.

Биологический эффект зависит от вида из­лучения и условий облучения. Так, в случае альфа-излучения, если радиоактивное вещест­во не попало внутрь организма, указанная экс­позиционная доза не окажет практически ни­какого биологического воздействия. Мерой воздействия ионизирующего излучения на ве­щество служит поглощенная доза — средняя энергия, переданная излучением единице мас­сы вещества. В старой системе единицей из­мерения поглощенной дозы служил рад (1 рад=0,01 Дж/кг). В СИ в качестве едини­цы поглощенной дозы принят грэй (Гр), при этом 1 Гр = 1 Дж/кг. Расчет поглощенной до­зы, однако, даже в том случае, если известны все данные о радиоактивном источнике, явля­ется непростой задачей.

Пример 14.4. В организм человека попало через ор­ганы пищеварения 10 мг ⁵⁵Fе. Найти значение погло­щенной дозы в организме этого человека за 10-летний период.

Железо-55 распадается по схеме: К-захват с после­дующим испусканием фотона рентгеновского излучения. Количество выделяющейся при этом энергии составляет 0,22 МэВ на акт распада. Период полураспада ⁵⁵Fе составляет 2,9 г. Отсюда т=0,239 и масса радиоактив­ного вещества через 10 лет составляет: 10 ехр(—0,239x10) =0,916 мг. Масса вещества, претерпевшего распад, равна 10,0—0,916=9,084 мг. Отсюда найдем число рас­павшихся атомов:

Далее найдем общее количество выделившейся при радиоактивном распаде энергии:

1,0849·10²⁰·0,22·10⁶ = 2,3867·10²⁶ эВ (1,49·10⁶ Дж).

Чтобы найти количество энергии на единицу массы, необходимо знать массу тела данного человека, а точ­нее, массу тех органов и тканей, которые подверглись воздействию излучения (маловероятно, что в данном случае облучение было равномерным по всему телу). Если принять среднее значение массы тела человека (мужчины) равным 75 кг и взять для расчета поглощен­ной дозы одну треть этой массы (25 кг), то искомое значение поглощенной дозы составит:

.

Это — очень большое значение поглощенной дозы, и оно указывает на то, какую опасность для здоровья че­ловека может представлять такое, казалось бы, незна­чительное количество радионуклида, попавшее внутрь организма.

Хотя значение поглощенной дозы может служить приемлемой мерой количества энер­гии, переданной излучением единице массы вещества, она не вполне удовлетворяет требо­ваниям задачи оценки биологических эффек­тов, вызываемых различными ионизирующими излучениями. Дело в том, что повреждение ткани связано не только с количеством погло­щенной энергии, но и с ее пространственным распределением, характеризуемым значением линейной передачи энергии L_Δ: чем выше L_Δ или, иначе, линейная плотность ионизации, тем больше степень биологического поврежде­ния, вызываемого ионизирующим излучением данного вида. Значение L_Δ для различных ви­дов первичного ионизирующего излучения за­висит от механизма процессов, протекающих с участием вторичных заряженных частиц и радикалов, образующихся в ткани в результа­те облучения. Подробнее это рассмотрено ни­же, там, где речь будет идти об эффектах ма­лых доз облучения.

Эквивалентная доза ионизирующего излучения

Чтобы учесть эффект, обусловленный раз­личием значений L_Δ для разных видов иони­зирующего излучения, вводится понятие экви­валентной дозы ионизирующего излучения, ко­торая определяется равенством

H=DQN, (14.11)

где D— поглощенная доза, Гр; Q — безраз­мерный коэффициент качества ионизирующе­го излучения, значения которого зависят от типа излучения (приведен ниже); /V — безраз­мерный коэффициент, зависящий от вида био­логической ткани (его значения для разных органов и тканей организма различны).

Единицей измерения эквивалентной дозы в системе СИ служит зиверт (Зв). До насто­ящего времени, однако, значения эквивалент­ной дозы чаще выражаются в старых едини­цах— бэрах. Значение эквивалентной дозы в бэрах получится, если выразить значение по­глощеной дозы в (14.11) в радах.

Может возникнуть вопрос: в чем состоит разница между грэем и зивертом? Обе едини­цы имеют одинаковую размерность - Дж/кг. В связи с этим необходимо подчеркнуть, что только поглощенная доза в грэях выражает истинное количество энергии, переданной из­лучением единице массы вещества (биологи­ческой ткани), в то же время соответствующее значение эквивалентной дозы в знвертах выра­жает эффективное воздействие поглощенной энергии ионизирующего излучения данного ви­да на определенную биологическую ткань, от­несенное к единице массы этой ткани. При этом численное значение эквивалентной дозы в зивертах может быть значительно больше соответствующего ему численного значения поглощенной дозы в грэях.

Коэффициент N можно рассматривать как взвешивающий коэффициент, учитывающий различия в чувствительности органов и тканей к воздействию излучения. Некоторые виды биологической ткани, например кость, доволь­но нечувствительны к воздействию ионизиру­ющих излучений, тогда как другие, например половые железы, отличаются повышенной чув­ствительностью. Ниже приведены значения биологического взвешивающего коэффициен­та для различных органов и тканей организма человека, рекомендованные Международной комиссией по радиационной защите:

Орган или ткань	1/N
Все тело	1,0
Половые железы	0,25
Молочная железа	0,15
Красный костный мозг	0,12
Легкие	0,12
Щитовидная железа	0,03
Кость	0,03

Повреждающее воздействие на биологичес­кую ткань ионизирующего излучения с высо­кими значениями ЛПЭ значительно больше воздействия излучения с низким значением ЛПЭ при одинаковой поглощенной дозе, Так, альфа-частицы с энергией 5 МэВ имеют зна­чение Q~15. Поэтому попадание внутрь ор­ганизма через дыхательный или пищевари­тельный тракт тяжелых радиоактивных эле­ментов, например плутония, значительно более опасно для здоровья, чем внешнее воздейст­вие на организм любого вида радиоактивного излучения.

Хотя нейтроны сами по себе не ионизируют вещество, они вызывают образование вторич­ных заряженных частиц, которые производят ионизацию. Именно это обстоятельство следу­ет иметь в виду, когда речь идет о значении L_Δ для нейтронов. Для тепловых нейтронов (т. е. нейтронов с энергиями ниже примерно 0,1 эВ) Q=1, для быстрых нейтронов Q~10.

Суммарные сведения относительно единиц измерения излучений приводятся в табл. 14.4. Как уже указывалось выше, для измерения радиационных эффектов следует использовать единицу системы СИ зиверт. Это — новая еди­ница, и пока она используется не слишком ши­роко (в 1975 г. зиверт еще не попал в число единиц, рекомендованных 15-й Генеральной конференцией по вопросам мер и весов; пред­полагается, что такая рекомендация будет вы­дана в ближайшее время). Некоторые страны уже перешли на использование новых единиц, хотя при этом иногда возникают определен­ные проблемы. Так, в Великобритании в качестве единицы эквивалентной дозы принят сантизиверт (в точности соответствующий ста­рой единице — бэру). Это решение, однако, следует признать неудачным. Если, к приме­ру, потребуется выразить малые значения эк­вивалентной дозы (масштаба бэров), сделать это по правилам системы СИ окажется невоз­можным: применение такой единицы как миллисантизиверт здесь недопустимо.

Таблица 14.4. Единицы измерения излучения
Величина	Единицы СИ	Единицы, не входящие в СИ	Определение величины	Размерность*
Активность	беккерель (Бк)	кюри (Ки)	1 распад в секунду 3,7•1010 распадов в се­кунду	т-1 т-1
Экспозиционная доза	кулон/килограмм (Кл/кг)	рентген (Р)	2,58•104 Кл/кг	Q/M Q/M
Поглощенная доза	грэй (Гр)	рад	1 Дж/кг 0,01 Дж/кг	L2/Т2 L2/Т2
Эквивалентная доза	зиверт (Зв)	бэр	H=DQN H=DQN	L2/Т2 L2/Т2

Новое вообще внедряется с трудом, особен­но в областях человеческой деятельности с ус­тановившимся, привычным порядком. Особую заботу об использовании новой терминологии должны, по-видимому, проявлять авторы учеб­ных пособий, по которым обучаются новые по­коления специалистов.

ЕСТЕСТВЕННЫЙ ФОН ИЗЛУЧЕНИЯ

Излучение воздействует на человека по­стоянно: солнечные лучи, излучения природных радиоактивных веществ, радиоактивных про­дуктов, образующихся в ядерных реакторах, и радиоактивных выпадений после испытаний ядерного оружия. Кроме того, облучение про­исходит при рентгенографических обследова­ниях, при лечении с использованием методов радиационной терапии, а также при просмотре телепередач и в ряде других случаев, о кото­рых речь пойдет ниже.

Поток солнечного излучения

В состав солнечного излучения, помимо видимого света, входит также ультрафиоле­товое и инфракрасное излучение. Энергия ин­фракрасного излучения недостаточна для ионизации атомов и молекул вещества, оно оказывает только тепловое воздействие на ко­жу. Ультрафиолетовое излучение способно ионизировать отдельные атомы, но, главным образом, его воздействие на биологическую ткань приводит к нарушению внутримолеку­лярных связей. По этой причине ультрафиоле­товое излучение может вызывать опасные по­вреждения кожи. Оно может быть причиной тяжелых ожогов, а при длительном воздейст­вии может вызывать рак кожи. Было установ­лено, что среди групп населения со слабой пигментацией кожи, которые подвергаются избыточному воздействию солнечного излуче­ния, заболевания раком кожи встречаются го­раздо чаще, чем среди групп населения, для которых не характерно длительное пребыва­ние в условиях воздействия прямых солнечных лучей.

Поскольку ультрафиолетовое излучение по­глощается атмосферой, с высотой его интен­сивность возрастает: это хорошо известно каж­дому, кто в течение какого-то времени заго­рал в горах. Жители тех местностей, которые расположены значительно выше уровня моря, подвергаются в среднем более интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения, чем жители равнинных районов. Этот фактор, наряду с более высоким уровнем облучения космическим излучением (см. ниже), служит согласно данным эпидемиологических иссле­дований причиной повышенного числа случаев заболеваний, вызванных действием излучения, среди жителей таких городов, как Денвер и Мехико.

Подобного рода данные дают, однако, лишь суммарную картину: они не позволяют оценить обусловленную разными причинами долю каждого фактора в общем числе заболе­ваний. Нетрудно представить себе, что в таком городе, как Денвер, расположенном в области Скалистых гор с развитой горнодобывающей промышленностью, должен наблюдаться так­же повышенный уровень активности природ­ных радиоактивных веществ.

Природные радиоактивные вещества

Действующие нормы

В 1928 г. была создана комиссия International commitee on Radiation protection (ICRP) для выработки норм радиационной безопасности персонала, подверженного про­фессиональному облучению. Хотя этот персо­нал подвержен большему, чем другие группы населения, риску получения повышенных доз облучения, и в то время, и сейчас признаются недопустимыми такие уровни облучения персонала, при которых для его коллективного ге­нофонда могла бы возникнуть угроза необра­тимых изменений.

В США нормы радиационной безопасности устанавливаются агентством Enviromental Rotection Agency (ЕРА), которое обычно сле­дует рекомендациям ICRP. Агентство обрати­лось к Академии наук США с просьбой выра­ботать критерии для установления безопасных норм облучения. Созданный академией специ­альный комитет периодически выпускает отче­ты «Биологические эффекты ионизирующего излучения» (ВEIR), последний из которых был опубликован в 1979 г. Отчет ВЕIR-III подтвер­ждает нормы, первоначально сформулирован­ные в 1972 г. в отчете ВЕIR-I. В качестве од­ного из основных положений принята концеп­ция беспороговой линейной зависимости до­за— эффект. В соответствии с этими нормами для лиц, подверженных профессиональному облучению, предельно допустимая доза (ПДД) составляет 50 мГр/в год (5 рад). При этом ПДД не должна превышать 1 мГр (0,1 рад) в неделю и 30 мГр (3 рад) за один квартал. Установлены также ПДД для отдель­ных органов и предельно допустимые концен­трации (ПДК) некоторых радионуклидов в воздухе и в воде.

В соответствии с нормами радиационной безопасности, установленными агентством ЕРА, для населения индивидуальная доза об­лучения от источников ионизирующего излуче­ния, исключая естественный радиационный фон и добавки к нему за счет медицинских диагностических процедур, не должна превы­шать 50 мГр (5 рад) за 30 лет, что эквива­лентно 1,7 мГр (170 мрад) в год. В последних рекомендациях МКРЗ, посвященных регла­ментации дозовых нагрузок для населения, указывается, что дозы облучения должны под­держиваться «на таких низких уровнях, какие только можно разумно достигнуть» (крите­рий ALARA).

Поскольку ПДД не включает дозы за счет естественного радиационного фона и меди­цинских процедур, в число основных источни­ков, которые необходимо принимать во вни­мание, входят: профессиональное облучение, выпадения от испытаний ядерного оружия, выбросы и сбросы АЭС и других предприятий ядерного топливного цикла, облучение лиц из населения, которые не работают непосредст­венно с источниками ионизирующего излуче­ния, но по условиям размещения рабочих мест могут подвергаться воздействию радионукли­дов или других источников радиации. Ниже приводятся рекомендации МКРЗ относительно минимально необходимых вкладов в ПДД за счет различных источников ионизирующего излучения.

Источник Облучение на рабочем месте Облучение лиц, непосредственно не работающих с источниками иони­зирующего излучения Общее облучение, связанное с ис­пользованием атомной энергии Резерв	Доза облучения 1,0 0,5 2,0 1,5	мГр 10 5 20 15
	5,0	50

Максимальная доза облучения за счет ис­точников, связанных с работой АЭС и других предприятий ядерного топливного цикла, не должна превышать 2 рад за 30 лет, 'или 67 мрад (670 мкГр) в год. Для того чтобы обеспечить выполнение этих требований, ко­миссия США (Nuclear Regulatory Comission) ввела ряд ограничений, касающихся вы­бросов и сбросов АЭС с водоохлаждаемыми реакторами:

интегральное значение эквивалентной дозы от выбросов радионуклидов благородных га­зов в любой точке на границе площадки АЭС не должно превышать 10 мбэр (100 мкЗв) в год;

расчетное значение индивидуальной экви­валентной дозы, обусловленной сбросами жид­ких отходов, не должно превышать 5 мбэр (50 мкЗв) в год;

эквивалентная доза для любого из органов тела человека в результате выбросов и сбро­сов долгоживущих радионуклидов (t_1/2 ≥ 8 сут) не должна превышать 5 мбэр (50 мкЗв).

При условии выполнения этих требований индивидуальная эквивалентная доза облуче­ния населения за счет источников, связанных с работой АЭС и других предприятий ядерно­го топливного цикла, не превысит 15 мбэр (150 мкЗв), что существенно ниже рекомендо­ванного МКРЗ нормативного значения 67 мбэр и составляет около 10 % среднего значения дозы естественного радиационного фона.