Сахаров Введение в теорию переноса и физику засчиты от 2013

Керма К – есть сумма первоначальных кинетических энергий dWk всех заряженных ионизирующих частиц, образованных косвенно ионизирующим излучением в элементарном объеме dV вещества, отнесенная к массе вещества dm в этом объеме.

Единицей измерения кермы является, как и для поглощенной дозы, грей (Гр). Керма в 1 Гр равна сумме начальных кинетических энергий заряженных частиц в 1 Дж, образовавшихся под действием косвенно ионизирующего излучения в 1 кг вещества. Аналогично в качестве внесистемной единицы используется рад.

С одной стороны, керма, применимая только для косвенно ионизирующего излучения, не обладает универсальностью поглощенной дозы, с другой стороны, возможность более точного определения кинетической энергии образовавшихся заряженных частиц под действием косвенно ионизирующего излучения, чем их поглощенной энергии, создает удобство использования этой дозовой характеристики для фотонов и нейтронов.

Рассмотрим связь между кермой и поглощенной дозой фотонов и нейтронов.

Для фотонного излучения кинетическая энергия образующихся в веществе электронов, определяющая керму, частично поглощается и входит, таким образом, в поглощенную дозу, а частично в виде тормозного излучения покидает элемент объема dV. В итоге для фотонов К > D.

При известном флюенсе фотонов с энергией Е, МэВ -Φ(E),м-2 в некоторой точке пространства разница между кермой и поглощенной дозой в Гр равна

К - D = (μtr - μen)· Φ(E)·Е·1,6·10-13,

где μtr , μen – массовые коэффициенты передачи и поглощения энергии фотонов, м2/кг.

Для фотонов с энергиями ниже 3 МэВ доля энергии электронов, переходящая в тормозное излучение (μtr - μen) / μtr, в легких материалах (ткань, воздух) не превышает 1 %, следовательно, поглощенную дозу и керму фотонов в этих материалах можно считать рав-

101

ными. Для тяжелых сред и высокоэнергетического излучения раз-

ница между кермой и поглощенной дозой возрастает и может достигать 5-10%.

Для нейтронов поглощенную дозу можно представить в виде двух компонентов: доза, создаваемая кинетической энергией вторичных заряженных частиц, которую можно в условиях лучевого равновесия принять равной керме, и доза вторичного фотонного излучения, образующегося в результате захвата нейтронов материалом, которая в керму не входит. Таким образом, для нейтронов всегда D > K. Так, например, для ткани в области энергий быстрых нейтронов, где процесс радиационного захвата нейтронов пренебрежимо мал, поглощенная доза и керма практически совпадают, однако в области промежуточных и тепловых энергий нейтронов вклад в поглощенную дозу вторичного фотонного излучения столь существенен, что эти величины различаются в разы. Это наглядно демонстрируют данные, приведенные на рис.4.1.

Рис.4.1. Зависимость от энергии нейтронов максимальной поглощенной дозы в ткани δD и тканевой кермы δK , рассчитанных на единичный флюенс

4.1.3. Эквивалентная доза

Для оценки воздействия излучений на биологическую ткань или орган, а именно это важно для оценки радиационных эффектов в биологических объектах и человеке, используется эквивалентная доза. Она равна для излучения типа R:

где DT,R – поглощенная доза в ткани или органе, создаваемая излучением типа R, которая в соответствии с НРБ-99/2009 определяется

102

как усредненная по ткани или органу поглощенная в них доза, а wR

–радиационный взвешивающий коэффициент.

Таким образом, при определении эквивалентной дозы в качестве

вещества, с которым взаимодействует излучение, принята биологическая ткань или материал органа, и в отличие от «физической поглощенной дозы в ткани» проводится усреднение поглощенной энергии по всему объему органа или ткани, т.е. предполагается равномерное распределение поглощенной энергии по всему объему органа или ткани. Следовательно, поглощенная доза в ткани или органе определяется по формуле:

где WT – поглощенная энергия в органе или ткани Т , mT – масса органа или ткани Т.

Установлено, что при одной и той же поглощенной дозе в ткани или органе, создаваемой различными видами излучений и частицами разных энергий одного и того же вида излучения, наблюдаемые биологические последствия будут различаться. Для однозначной интерпретации относительной эффективности различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов ис-

пользуют взвешивающие радиационные коэффициенты wR,

величины которых рекомендуются МКРЗ (Публикация 60 МКРЗ, 1990) и НРБ-99/2009 для различных типов и энергий радиации R, падающей на тело или испускаемой при ядерных превращениях нуклидов внутри тела. Эти коэффициенты приведены в табл. 4.1.

103

Эквивалентная доза в смешанных полях ионизирующего излучения различных видов и энергий, характеризуемых параметром R, может быть представлена в виде суперпозиции эквивалентных доз, создаваемых отдельными видами излучений:

Рассмотрим биофизическое оправдание введенного радиационного коэффициента wR. Обнаруженная на начальном этапе работ с ионизирующими излучениями зависимость биологических последствий действия разных видов и энергий радиации на биологические объекты при одинаковой поглощенной дозе стала учитываться вве-

дением относительной биологической эффективности (ОБЭ)

излучения, т.е. все виды излучений по биологическому проявлению сравнивались с действием фотонного излучения. Под ОБЭ из радиобиологических экспериментов понималось отношение поглощенной дозы образцового рентгеновского излучения с граничной энергией 180 кэВ, вызывающей определенный биологический эффект, к поглощенной дозе рассматриваемого вида излучения, приводящей к тому же биологическому эффекту.

Попытка физически объяснить зависимость радиационных последствий воздействия разных видов радиации на биологические объекты при хроническом облучении в малых дозах привела к обнаружению зависимости ОБЭ от полной линейной передачи энергии (ЛПЭ) излучения ткани. Это позволило, определяя ЛПЭ для любого вида излучения, ввести коэффициент, учитывающий радиационные биологические последствия воздействия этого вида излучения, в том числе и при работе в полях смешанного излучения. Этот коэффициент получил название коэффициента качества излучения (КК) и представлял собой регламентированное значение ОБЭ при хроническом облучении в малых дозах (на уровне предельно допустимых).

В табл.4.2. представлена зависимость коэффициента качества излучения КК от ЛПЭ мягкой биологической ткани стандартного состава.

Видно, что для длиннопробежных частиц (фотоны, электроны, позитроны и β-частицы) коэффициент качества равен единице, для короткопробежных он возрастает до 20.

104

Таблица 4.2 Зависимость коэффициента качества КК от ЛПЭ, Зв/Гр

В табл.4.1 приведены в виде взвешивающих радиационных коэффициентов wR регламентированные значения ОБЭ и КК.

Единицей измерения эквивалентной дозы является зиверт (Зв): 1 Зв = 1 Гр wR. Внесистемная единица эквивалентной дозы бэр (биологический эквивалент рада) 1 бэр=1 рад · wR . Очевидно соотношение 1Зв = 100 бэр.

Постоянное пополнение информации по биологическим аспектам воздействия разных видов и энергий излучений приводит к пересмотру регламентированных значений взвешивающих радиационных коэффициентов wR. В частности, анализ имеющихся данных по относительной биологической эффективности различных видов излучения, а также ряд биофизических аспектов привели к изменениям значений взвешивающих коэффициентов для протонного и нейтронного излучения, причем эти величины согласно Публикации 109 МКРЗ, 2007 г. для нейтронов теперь должны задаваться в виде непрерывной функции энергии нейтронов.

На рис. 4.2 сравниваются радиационные взвешивающие коэффициенты wR для нейтронов, принятые в 1990 г. с рекомендуемыми в настоящее время.

Рис.4.2. Зависимость wR от энергии нейтронов по данным 1990 г (Публикация 60 МКРЗ) и рекомендуемая c 2007 г. (Публикация 109 МКРЗ)

4.1.4.Эффективная доза

Вслучае неравномерного облучения различных органов и тканей организма человека, что реально имеет место всегда при внут-

105

реннем облучении организма, для оценки риска неблагоприятных последствий воздействия радиации на организм человека в целом вводится понятие эффективной дозы. Эта доза используется как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности и важности с точки зрения функционирования организма в целом.

Эффективная доза E — сумма взвешенных эквивалентных доз во всех органах и тканях организма:

где wT – тканевый взвешивающий коэффициент. Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы (wТ) – множители эквивалентной дозы в органах и тканях, используемые в радиационной защите для учета различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации. В табл. 4.3 приведены рекомендуемые величины тканевых взвешивающих коэффициентов для различных органов организма человека.

Понятие эффективной дозы связано с понятием риска, под которым понимается вероятность проявления неблагоприятных последствий (смерть, сокращение продолжительности жизни, потеря трудоспособности и т.д.), как результат воздействия радиации на отдельный орган или организм человека в целом. Тогда тканевый взвешивающий коэффициент wT может быть определен как отношение риска неблагоприятных последствий в результате облучения органа Т к риску этих последствий при равномерном облучении всего тела той же дозой.

Эффективная доза является мерой вероятности возникновения вредных последствий для здоровья человека при любом облучении: и однородном, и неоднородном как за счет внешних, так и внутренних источников.

Тканевый взвешивающий коэффициент в какой-то мере учитывает разную биологическую чувствительность данного органа к излучению и разную степень важности каждого органа в функционировании организма как целого.

106

Таблица 4.3

Тканевые взвешивающие коэффициенты wT , рекомендованные НРБ-99/2009

*Остальное" включает надпочечники, головной мозг, экстраторакальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечную ткань, поджелудочную железу, селезенку, вилочковую железу и матку. В тех исключительных случаях, когда один из перечисленных органов или тканей получает эквивалентную дозу, превышающую самую большую дозу, полученную любым из двенадцати органов или тканей, для которых определены взвешивающие коэффициенты, следует приписать этому органу или ткани взвешивающий коэффициент, равный 0,025, а оставшимся органам или тканям из рубрики "Остальное" приписать суммарный коэффициент, равный 0,025.

Наибольшие значения wT устанавливаются для жизненно важных органов человека, ответственных за соматические и генетические поражения.

В настоящее время признано, что коэффициенты wT зависят от пола и возраста человека, поэтому должны быть получены отдельно для разных возрастных групп мужчин и женщин на основе дополнительных данных по рискам с возможным в последующем усреднением.

Если эквивалентная доза в органе или ткани HT одинакова для всех органов и тканей человека, что часто можно принять, например, при внешнем облучении фотонами, то в выражении (4.6) HT не зависит от T и может быть вынесена из-под суммы по T, тогда

HT = E, и очевидно, что wT 1.

T

Единицы измерения эффективной дозы совпадают с единицами измерения эквивалентной дозы: зиверт (Зв) и бэр.

107

Наряду с понятиями дозы вводится понятие «мощность дозы». Мощность любой дозы есть отношение приращения дозы dD за интервал времени dt к этому интервалу

4.1.5. Ожидаемая эффективная (эквивалентная) доза

При выбросе радионуклида в окружающую среду и его попадании внутрь организма радиационное воздействие продолжается длительное время, определяемое периодом полураспада радионуклида и биологическими процессами выведения радионуклида из организма. Для оценки радиационных последствий, связанных с однократным поступлением отдельного радионуклида в организм человека, используется понятие ожидаемой дозы.

Ожидаемая эффективная доза E( ) за время τ определяется в виде:

где Е(t) – мощность эффективной дозы в момент времени t, зави-

сящая от радионуклида, его формы, способа поступления в организм, биокинетики в организме; t0 — момент поступления радионуклида в организм. Когда время не определено, оно принимается исходя из стажа профессиональной деятельности в 50 лет для персонала и средней продолжительности жизни 70 лет для населения.

Ожидаемая эквивалентная доза для органа или ткани определяется такой же формулой, но под знаком интеграла ставится мощность эквивалентной дозы.

4.1.6. Доза эффективная (эквивалентная) годовая

При нормировании дозовых пределов НРБ-99/2009 устанавливает предельно допустимые годовые дозы облучения. Поэтому в случае воздействия на организм человека или его отдельный орган внешнего и внутреннего облучения вводится годовая эффективная

108

(эквивалентная) доза в виде суммы эффективной (эквивалентной) дозы внешнего облучения, полученной за календарный год, и ожидаемой эффективной (эквивалентной) дозы внутреннего облучения за этот же год, обусловленной поступлением в организм радионуклидов. Единица годовой эффективной дозы – зиверт /год.

4.1.7. Коллективная эффективная доза

Для оценки ожидаемых стохастических эффектов радиационного воздействия какого-либо источника излучения на человеческую популяцию (население) или определенную группу людей (например, персонал радиационного объекта, население отдельного региона или страны, дети в определенном регионе) вводится понятие коллективной эффективной дозы. При таком подходе радиационные последствия усредняются по выбранной группе лиц при существенной разнице индивидуальных дозовых нагрузок.

Коллективная эффективная доза S – сумма средних эффек-

тивных доз в облученных группах индивидуумов, умноженных на число лиц в каждой группе:

где Ni — число лиц в популяционной подгруппе i, получивших среднюю эффективную дозу Ei; N(E) – число лиц, получивших эффективную дозу в диапазоне от Е до E+dE.

Популяция и период времени, в который определяется доза, должны быть определены, так как при больших временах меняются условия окружающей среды, т. е. меняется средняя эффективная доза, одновременно происходят изменения и в популяции, т. е. меняется величина Ni.

Единицей измерения коллективной эффективной дозы является

человеко-зиверт (чел.-Зв) или человеко-бэр (чел.-бэр).

Делением коллективной дозы на размер популяции N можно определить среднее значение индивидуальной эффективной дозы. Следует отметить, что это не доза, получаемая реальным индивидуумом, а усредненный показатель воздействия источника излучения на популяцию.

109

При расчетах коллективных доз учитывается разница в метаболизме радионуклидов в организме для разных возрастных групп населения. В связи с этим выделяются различные возрастные группы популяции с соответствующими вкладами в популяцию. Так,

например, в НРБ-99/2009 определены следующие возрастные груп-

пы: 1— <1 года; 2 — 1-2 года; 3 — 2-7 лет; 4 — 7-12 лет; 5 —12-17

лет; 6 — >17 лет.

В соответствии с этим распределением для каждой возрастной группы используются и разные значения поступлений радионуклидов в организм человека и разные коэффициенты перехода от поступившей в организм активности радионуклида к формируемой им эффективной дозе излучений.

При установлении предельно допустимых характеристик содержания радионуклидов в элементах окружающей среды (воздух, вода, пища) и их поступления внутрь организма, учитывая возрастные параметры разных групп населения, выделяется критическая группа населения – это группа лиц из населения (не менее 10 чел.), однородная по одному или нескольким признакам – полу, возрасту, социальным или профессиональным условиям, месту проживания, рациону питания, которая подвергается наибольшему радиационному воздействию по данному пути облучения от данного источника излучения. Нормирование по этой группе населения обеспечивает радиационную безопасность для всей популяции.

Чтобы оценить пространственное влияние излучения источника, в качестве территориальных групп населения при определении коллективной дозы выбирают население, проживающее на территории в пределах расстояния x от данного источника. Интегрирование величин доз, получаемых жителями, с учетом плотности проживающего населения по площади, ограниченной радиусом 1050 км от источника выброса, дает значение локальной коллективной дозы, интегрирование по площади, ограниченной радиу-

сом 1000…2000 км дает региональную коллективную дозу, а при x = — глобальную коллективную дозу.

Рис.4.3 демонстрирует выше описанную взаимосвязь дозовых характеристик полей излучений, используемых в радиационной физике и радиационной безопасности.

Использование концепции ожидаемой коллективной дозы для оценки облучения населения позволяет определить эту величину, нормированную на единицу действующего фактора источника

110