Единицы измерения радиоактивности, дозы и мощности дозы излучения. Учебно-методическое пособие для практических занятий со студентами по специальности

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Казахский национальный аграрный университет

Кафедра ветеринарно-санитарной экспертизы и технологии продовольственных продуктов

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОАКТИВНОСТИ, ДОЗЫ И МОЩНОСТИ ДОЗЫ ИЗЛУЧЕНИЯ

Учебно-методическое пособие

для практических занятий со студентами по специальности 051201 – «Ветеринарная медицина»

и 051202 – «Ветеринарная санитария»

Издание второе стереотипное

Алматы, 2014

Авторы:

Сахариянов А.Ж. – старший преподаватель кафедры ветеринарно-санитарной экспертизы и технологии продовольственных продуктов, к.б.н.

Жумагелдиев А.А. – ассистент кафедры ветеринарно-санитарной экспертизы и технологии продовольственных продуктов, к.в.н.

Рецензенты:

Итенов М.Ч. - директор Алматинского филиала РГКП ветеринарной лаборатории, к.б.н. доцент.

Казиев Ж.И. - старший преподаватель кафедры «Внутренних болезней и фармакологии» к.в.н.

Учебно-методическое пособие рассмотрено и рекомендовано на заседании кафедры ветеринарно-санитарной экспертизы и технологии продовольственных продуктов, протокол №___ от «__» _______ 2009 г.

Учебно-методическое пособие рассмотрено и одобрено на заседании учебно-методической комиссии факультета ветеринарной санитарии и зоотехнологии, протокол №___ от «__» _______ 2009 г.

Тема: ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОАКТИВНОСТИ, ДОЗЫ И МОЩНОСТИ ДОЗЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ. ПЕРЕСЧЕТ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ.

Цель занятия: Изучить цели и задачи дозиметрии и радиометрии. Основные дозиметрические величины и единицы их измерения. Единицы измерения дозы и еë мощности. Относительную биологическую эффективность различных видов излучений. Расчет доз при внешнем и внутреннем облучении. Связь между активностью и дозой излучения. Миллиграмм – эквивалент радия.

Место проведения занятия и время: Кафедра ветеринарно-санитарной экспертизы и и технологии продовольственных продуктов, для специальности 051201 – «Ветеринарная медицина» - 3 часа, для специальности 051202 – «Ветеринарное санитария» - 4 часа.

Материальное обеспечение: Стенды, таблицы, раздаточные материалы.

После открытия деления ядер тяжелых элементов начала развиваться ядерная энергетика. Развития этой новой области связано с появлением различных методов исследования, одним из которых является радиометрия, т.е. количественное измерение и идентификация радиоактивных элементов по интенсивности излучения.

Явление самопроизвольного излучения было названо радиоактивностью, а вещества, испускающие излучения – радиоактивными. Радиоактивность – это свойство ядер определенных элементов самопроизвольно (т.е. без каких-либо внешних воздействий) превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением. Само явление называется распадом. Таким образом, радиоактивность является исключительно свойством атомного ядра

изависит только от его внутренного состояния. Нельзя повлиять на течение процесса радиоактивного распада, не изменив состояние атомного ядра. На скорость течения радиоактивных превращений не оказывают никакого воздействия изменения температуры и давления, наличие электрического и магнитного полей, вид химического соединения данного радиоактивного элемента и его агрегатное состояние.

Радиометрия ионизирующих излучений включает круг вопросов, связанных с применением радиометрических и спектрометрических методов для решения различного рода прикладных задач в разных областях науки и техники, а также вопросов, относящихся к созданию специальной аппаратуры

иметодов по изменению радиоактивности и идентификации радиоизотопов. Современный этап развития радиометрии связан с эксплуатацией

ядерных реакторов и мощных ускорителей для получения радиоизотопов,

использованием продуктов деления тяжелых ядер, изучением химии горячих атомов и т.д.

Авария на Чернобыльской АЭС показала, как необходимо правильно и оперативно использовать дозиметрическую и радиометрическую аппаратуру, а так же правильно определять дозу облучения и радиоактивность объектов окружающей среды в экстремальных ситуациях.

Активность радиоактивного элемента и единицы активности

Количество радиоактивного вещества обычно определяют не единицами массы (грамм, миллиграмм и т.д.), а активностью данного вещества, которая равна числу распадов в единицу времени. Чем больше радиоактивных превращений испытывают атомы данного препарата в секунду, тем больше его активность.

Как следует из закона радиоактивного распада, активность радионуклида пропорциональна числу радиоактивных атомов, т.е. возрастает с увеличением количества данного вещества. Поскольку скорость распада радиоактивных изотопов различная, то одинаковые весовые количества различных радионуклидов имеют различную активность. Так если взять с одинаковой массой радионуклиды 238U,32P,8Li , обладающие различными

периодами полураспада (4,5 109 лет, с 4,3 дня и 0,89 сек. соответственно), то

самая высокая активность будет у лития и фосфора, и очень малая у урана, так как наибольшее количество распадов в 1 секунду будет у первых двух изотопов.

Единицей активности в абсолютной системе единиц (СИ) служит распад в секунду (расп/с). Этой единице присвоено наименование беккерель (Бк); 1 Бк= С 1 . Один беккерель соответствует одному распаду в секунду для любого радионуклида.

Наибольшее употребительная внесистемная международная единица – Кюри (Ки). Кюри – это такое количество любого радиоактивного вещества, в котором число радиактивных распадов в секунду равно 3,7 1010 . Единица

кюри соответствует радиоактивности 1 г радия. Кюри очень большая величина, поэтому обычно употребляют дробные единицы:

милликюри (мКи) =10 3 Ки 3.7 107 расп/сек; микрокюри (мкКи) = 10 6 Ки 3.7 104 расп/сек; нанокюри (нКи) 10 9 Ku 3.7 10расп/сек; пикокюри (пКи) 10 12 Ku 0.037расп/сек.

На практике часто пользуются числом распадов в минуту. Тогда единица радиоактивности кюри и дробные от нее принимают следующие значения:

1 Ки 2.22 1012 расп/мин;

1мКи = 2.22 109 расп/мин;

1мкКи = 2.22 106 расп/мин;

1нКи = 2,22 •103 расп/мин;

1пКи 2.22расп/мин.

Вединицах кюри выражают альфа и бета-активность. Радиоактивные вещества характеризуются величиной удельной активности или концентрации, т.е. активностью, приходящейся на единицу массы или объема. Единицами удельной активности являются Ки/мл, Ки/л, Ки/г, Ки/кг и их производные. Убыль активности любого радиактивного препарата определяют по формуле, соответствующей основному закону радиоактивного распада:

где: At - активность препарата через t времени;

значения Т и t должны иметь одинаковую размерность (минуты, часы, дни, т.д.);

e – основание натуральных логарифмов.

Пример. Активность (А0 )32 Р на определенный день равна 5 мКи.

Определить активность этого элемента через неделю. Период полураспада Т32Р - 14,3 дня. Активность 32Р через 7 дней будет равна:

Единицы гамма активности

Единицы кюри для характеристики гамма-активности источников непригодны. Для этой цели введена другая единица – эквивалент 1 мг радия (мг – экв. радия). Миллиграмм – эквивалент радия – это активность любого радиоактивного препарата, гамма излучения которого при идентичных условиях измерения создает такую же мощность экспозиционной дозы, как гамма – излучение 1 мг радия Государственного эталона при платиновом фильтре 0,5 мм. Единица миллиграм – эквивалент радия не установлена существующими стандартами, но широко используется на практике.

Точечный источник в 1 мг (1мКи) радия, находящийся в равновесии с продуктами распада, после начальной фильтрации 0,5 мм платины создает в воздухе на расстоянии 1 см мощность дозы 8,4 Р/ч. Эта величина называется ионизационной гамма-постоянной радия и обозначается буквой Кγ. Гамма – постоянная радия принята за эталон мощности дозы излучения. С ней

сравнивается Кγ всех других гамма-излучателей. Существует таблицы гаммапостоянных для большинства радиоактивных изотопов. Так, гаммапостоянная 60Сосоставляет 13,5 Р/ч. Сравнение гамма-постоянных радия и 60Сопоказывает, что 1мКи 60Сосоздает дозу излучения в 1,6 раз большую, чем 1мКи радия (13,5/8,4=1,6). Иначе говоря, по создаваемой дозе излучения в воздухе 1 мКи 60Со эквивалентен 1,6 мКи радия, т.е. γ – излучение, испускаемое препаратом 60Со активностью 0,625 мКи, создает такую же дозу излучения, что и 1мКи радия.

Гамма-эквивалент изотопа М связан с его активностью А (мКи) через ионизационную гамма-постоянную соотношениями:

MA K ;A M 8.4 ,

8.4K

которые позволяют сделать переход от активности радиоактивного вещества, выраженной в мг-экв. радия, к активности, выраженной в мКи, и наоборот.

Доза излучения и ее мощность

Биологическое действие рентгеновского и ядерных излучений на организм обусловлено ионизацией и возбуждением атомов и молекул биологической среды. На процесс ионизации излучения растрачивают свою энергию. В результате взаимодействия излучений с биологической средой живому организму передается определенная величина энергии. Часть поступающего излучения, которая пронизывает облучаемый объект (без поглащения), действия на него не оказывает. Поэтому основная величина, характеризующая действие излучения на организм, находится в прямой зависимости от количества поглащенной энергии. Для измерения количества поглащенной энергии введено понятие «доза излучения» - величина энергии, поглащенной в единице объема (массы) облучаемого вещества.

Различают дозу в воздухе, дозу на поверхности (кожная доза) и в глубине облучаемого объекта (глубинная доза), очаговую и интегральную (общая поглащенная доза) дозы.

Так как поглащенная энергия расходуется на ионизацию среды, то для измерения ее необходимо подсчитывать число пар ионов, образующихся при излучении. Однако измерить ионизацию непосредственно в глубине тканей живого организма очень трудно. В связи с этим для количественной характеристики рентгенового и гамма-излучения, действующего на объект определяют так называемую экспозиционную дозу (Д0), которая

характеризует ионизирующую способность рентгеновых и гамма-лучей в воздухе. От экспозиционной дозы с помощью соответствующих коэффициентов переходят к дозе, поглащенной в объекте. Экспозиционную дозу определяют по ионизирующему действию излучения в определенной массе

воздуха и только при энергии рентгеновых и гамма-лучей в диапазоне от десятков кэВ до 3 МэВ.

За единицу экспозиционной дозы в Международной системе единиц (Си) принят Кулон на килограмм (Кл/кг), т.е. такая экспозиционная доза рентгеновых и гамма-лучей, при которой сопряженная корпускулярная эмиссия в килограмме сухого воздуха производит ионы, несущие заряд в один Кулон электричества каждого знака.

На практике применяется внесистемная единица – рентген (1Р=2,58·10 4 Кл/кг). Рентген (Р) – экспозиционная доза рентгенового или гаммаизлучения, при которой сопряженная корпускулярная эмиссия в 1 см³ воздуха (0,001293 г) при нормальных условиях (0ºС и 1013 гПа) создает ионы, несущие заряд в одну электростатическую единицу электричества каждого знака. Заряд одного иона равен заряду электрона, т.е. 4,8 10 10 электростатистическому единицу. Следовательно, число пар ионов при дозе 1Р будет равно 1 эл.ст.ед.: 4,8 10 10 эл.ст.ед. = 2,08 109 .

Поскольку на образование одной пары ионов в воздухе в среднем затрачивается 34 эВ, то энергетический эквивалент рентгена в 1 см³ воздуха составляет 2,08 109 ·34=7,08·104 Мэв=0,114эрг/см³, или в 1г воздуха 88 эрг

(0,114:0,001293=88эрг).

Производные единицы рентгена следующие: мегарентген (МР) = 106 Р; килорентген (кР) = 10³Р; миллирентген (мР) = 10 3 Р; микрорентген (мкР) = 10 6 Р; нанорентген (нР) = 10-9 Р; пикорентген (пР) = 10-12 Р.

Для корпускулярного излучения была предложена единица фэР (физический эквивалент рентгена), однако она не получила практического применения.

Единица рентген не может обеспечить решение всех метрологических и практических задач в радиологии. Помимо нее, необходима универсальная (для любого вида ионизирующего излучения) единица, применяемая для определения физического эффекта облучения в любой среде, в частности в биологических тканях. Такой единицей стал рад – внесистемная международная единица поглащенной дозы, которая получила широкое применение в практике.

Единица рад (rad – radiation absorbed dose) – поглащенная доза любого вида ионизирующего излучения, при которой в 1г массы вещества поглащается энергия излучения, равная 100 эрг (1рад = 100 эрг/г = 10 2 Дж/кг).

Производные единицы рад: мегарад (Мрад) = 106 рад; килорад (крад) = 10³рад; миллирад (мрад) = 10 3 рад; микрорад (мкрад) = 10 6 рад; нанорад (нрад) = 10-9 рад; пикорад (прад) = 10-12 рад.

За единицу поглащенной дозы в Международной системе единиц (СИ) принят джоуль на киллограмм (дж/кг), т.е. такая поглащенная доза при которой в 1 кг массы облученного вещества поглащается 1 Дж энергии излучения. Этой единице присвоено собственное наименование грей (Гр). Грей (Гр) представляет собой количество энергии ионизирующего излучения, поглащенной единицей массы какого-либо физического тела, например тканьями организма. 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад. Эквивалентной единицей поглащенной дозы является зиверт (Зв). Зиверт (Зв) представляет собой единицу поглащенной дозы, умноженную на коэффициент, учитывающий неодинаковую радиационную опасность для организма разных видов ионизирующего излучения. Один Зиверт соответствует поглащенной дозе в 1Дж/кг (для рентгеновского, γ и β излучений).

Введение единицы рад не исключает использование единицы измерения излучения в рентгенах, тем более что вся дозиметрическая аппаратура пока отградирована в рентгенах. Единицей рентген пользуются для измерения поля излучения (или, как говорят радиологи падающего излучения), для количественной характеристики источников квантового излучения.

Поскольку при одной и той же энергии гамма (γ) – квантов и частиц в 1г разной по химическому составу биологической ткани поглащается различное количество энергии, поглащенную в тканях дозу измеряют в радах расчетным путем по формуле:

Драд = Д (Р) · f,

где: Драд – поглащенная доза в радах; Д(Р) – экспозиционная доза в рентгенах в той же точке;

f – переходной коэффициент, величина которого зависит от энергии излучения и от рода поглащающей ткани (атомного номера и плотности).

Если в воздухе доза излучения в 1 Р энергетически эквивалентна 88 эрг/г, то поглащенная энергия для этой среды составит 88 : 100 = 0,88 рад. Таким образом, для воздуха поглащенная доза, равная 0,88 рад соответствует экспозиционной дозе в1Р.

Переходный коэффициент f обычно определяют опытным путем на фантоме. Для воды и мягких тканей коэффициент fтк округленно принят за единицу (фактически он составляет 0,93).

Следовательно, поглащенная доза в радах численно почти равна соответствующей экспозиционной дозе в рентгенах. Для костной ткани коэффициент f

тк = 2-5.

В биологическом отношении важно знать не просто дозу излучения, которую получил облучаемый объект, а дозу полученную в единицу времени. В одном случае суммарная доза, значительно превыщающая смертельную, но полученная в течение длительного периода времени, не только не приведет к гибели животного, но даже не вызовет у него реакцию лучевого поражения. В другом случае доза меньше смертельной, но полученная в короткий отрезок времени может вызвать лучевую болезнь различной тяжести. В этой связи введено понятие мощности дозы. Мощность дозы (Р) – это доза излучения Д, отнесенная к единице времени t:

Чем больше мощность дозы Р, тем быстрее растет доза излучения Д. Понятие мощности дозы относится как к экспозиционной, так и к

поглащенной дозе. Для экспозиционной дозы системная единица – ампер на килограмм (А/кг), внесистемная – рентген в час (Р/ч) или рентген в минуту (Р/мин) и т.д.; для поглащенной дозы соответственно – Ватт на килограмм (Вт/кг) и рад в час (рад/ч), рад в минуту (рад/мин) и т.д.

Установлено, что биологическое действие одинаковых доз различного вида излучения на организм не одинаково. Это связано с удельной ионизацией излучения. Чем выше удельная ионизация, тем больше коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества (КК). Коэффициент ОБЭ (КК) показывает, во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем рентгенового или гамма-излучения при одинаковой поглащенной дозе в тканях.

Значения коэффициента ОБЭ (КК) для разных видов излучения приведены в таблице 1.

Таблица 1. Коэффициенты ОБЭ (КК) для разных видов излучения.

Для оценки биологического действия излучения введены биологический эквивалент рентгена (бэр) и биологический эквивалент рада (бэрад), т.е. биологическая доза.

Единица бэр – это доза любого ядерного излучения, при которой в биологической среде создается такой же биологическийй эффект, как при дозе рентгенового или гамма-излучения в 1 Р; бэрад – поглащенная доза любого вида излучения, которая по своему биологическому действию эквивалентна 1 раду рентгенового или гамма-излучения.

Производные эквивалентной дозы: килобэрад (кбэрад) = 10³ бэрад; миллибэрад (мбэрад) = 10 3 бэрад; микробэрад (мкбэрад) = 10 6 бэрад; нанобэрад (нбэрад) = 10-9 бэрад; пикобэрад (пбэрад) = 10-12 бэрад.

Биологическая доза в бэрад численно равняется произведению поглащенной дозы на коэффициент ОБЭ:

Дбэрад = Драд · ОБЭ

Пример: Рассчитать экспозиционную (физическую) и эквивалентную поглащенную дозу от смешанного источника излучения, если доза составляла от гамма-излучения 1 рад, бета-излучения – 10 рад, альфа-излучения – 1 рад и от быстрых нейтронов – 1 рад.

Решение:

Дэ Σ = 1+10+1+1 = 13 рад.

Дэкв Σ = 1·1+10·1+1·10+1·10 = 31 бэрад

Следовательно, суммарная эквивалентная доза оказывается в два с лишним раза больше физической.

Соотношение между активностью радиоактивных препаратов и дозой, создаваемой их гамма-излучением

Для установления соотношения между активностью радиоактивного препарата и экспозиционной дозой, создаваемой им, используют гаммапостоянную (Кγ). Для точечного источника с активностью А(мКи) доза излучения Д (Р), создаваемая за время t час, на расстоянии R см выражается формулой:

Д= K R2A t .