Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиационный контроль на продовольственных рынках. Учебное пособие.pdf
Различают дозу в воздухе, дозу на поверхности (кожная доза)
N
и в глубине облучаемого объекта (глубинная доза), очаговую и интегральную (общая поглощенная доза) дозы. Так как поглощенная
энергия расходуется на ионизацию среды, то для измерения ее необходимо подсчитать число пар ионов, образующихся при излучении. Однако измерить ионизацию непосредственно в глубине тканей живого организма трудно. В связи с этим для количественной
характеристики рентгеновского и гамма-излучений, действующих
на объект, определяют так называемую экспозиционную дозу (Дэ),
которая характеризует ионизирующую способность рентгеновских
и гамма-лучей в воздухе. От экспозиционной дозы с помощью соответствующих коэффициентов переходят к дозе, поглощенной
в объекте. Экспозиционную дозу определяют по ионизирующему
действию излучения в определенной массе воздуха и только при значениях энергии рентгеновских и гамма-лучей в диапазоне от десятков килоэлектронвольт до 3 МэВ.
За единицу экспозиционной дозы в Международной системе
единиц (СИ) принят кулон на килограмм (Кл/кг), т. е. такая экспозиционная доза рентгеновских и гамма-лучей, при которой в 1 кг
сухого воздуха образуются ионы, несущие заряд в один кулон электричества каждого знака.
На практике применяют внесистемную единицу – рентген
(1 Р = 2,58·10–4 Кл/кг), принятую в 1928 г. Рентген (Р) – экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см3
воздуха (0,001293 г сухого воздуха) при нормальных условиях (0 °С
и 1013 ГПа) образуется 2,08·109 пар ионов.
Соотношение между внесистемной единицей экспозиционной
дозы и единицей СИ: 1 Р = 2,58·10–4 Кл/кг 1 Кл/кг = 3,88·103 Р.
Производные единицы рентгена: килорентген (1 кР = 103 Р),
миллирентген (1 мР = 10–3 Р), микрорентген (1 мкР = 10–6 Р).
Чтобы определить величину экспозиционной дозы (в единицах Р), пользуются следующей формулой:
Д
=
э
2,08 10 п.и.
⋅
где Дэ – доза экспозиционная в рентгенах;
N – данное количество пар ионов.
51
,
9
Пример: определить величину экспозиционной дозы внеси-
п.и.
N
стемной единицы рентген рентгеновского излучения, если в 1 см3
воздуха при нормальных условиях образуется 3,28·104 пар ионов.
Решение.
1. Записываем формулу:
Д
=
э
2,08 10
⋅
.
9
2. Вставляем в формулу показатели и решаем:
3,28 10 п.и.
Д 1,58 10 5 Р.
= = ⋅−
э
2,08 10 п.и.
4
⋅
9
⋅
Ответ: величина экспозиционной дозы составила 1,58∙10–5 Р.
В начале 50-х годов стало очевидно, что единица рентген не
может обеспечить решения 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 поглощенной дозы, которая рекомендована Международным конгрессом радиологов в 1953 г. и получила широкое применение в практике.
Единица рад (rad – radiation absorbent dose) – поглощенная
доза любого вида ионизирующего излучения, при которой в 1 г
массы вещества поглощается энергия излучения, равная 100 эрг
(1 рад = 100 эрг/г = 10–2 Дж/кг). Производные единицы рад: килорад
(1 крад = 103 рад), миллирад (1 мрад = 10–3 рад), микрорад (1 мкрад =
= 10–6 рад).
За единицу поглощенной дозы в Международной системе единиц (СИ) принят джоуль на килограмм (Дж/кг), т. е. такая поглощенная доза, при которой в 1 кг массы облученного вещества поглоща-
52
ется 1 Дж энергии излучения. Этой единице присвоено собственное
наименование грей (Гр), 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.
Введение единиц рад и Грей не исключает использование единицы измерения излучения в рентгенах, тем более что вся дозиметрическая аппаратура пока отградуирована 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-квантов и частиц
в 1 г биологической ткани, разной по химическому составу, поглощается различное количество энергии, поглощенную в тканях дозу
измеряют в радах расчетным путем по формуле:
Дп = Дэ·K,
где Дп – поглощенная доза, рад;
Дэ – экспозиционная доза в той же точке;
K – переходный коэффициент, значение которого зависит от
энергии излучения и от рода поглощающей ткани (атомного номера
и плотности).
Если в воздухе доза излучения в 1 Р энергетически эквивалентна 88 эрг/г, то поглощенная энергия для этой среды составит
88:100 = 0,88 рад. Таким образом, для воздуха поглощенная доза,
равная 0,88 рад, соответствует экспозиционной дозе в 1 Р. Переходный коэффициент обычно определяют опытным путем. Для воды
и мягких тканей коэффициент K округленно принят за единицу (фактически он составляет 0,93). Следовательно, поглощенная доза в радах численно почти равна соответствующей экспозиционной дозе
в рентгенах. Для костной ткани коэффициент K = 2–5.
Если экспозиционная доза дана в рентгенах, то поглощенная
доза при расчете по формуле будет получена в радах, а если в Кл/кг,
то, соответственно, в Гр (Греях).
Соотношение между внесистемной единицей измерения поглощенной дозы и единицей СИ:
1 Гр = 100 рад 1 рад = 1·10–2 Гр.
53
Пример: определить поглощенную дозу в единицах СИ, если
1Гр 14,96рад
Гр
экспозиционная доза воздушной среды равна 17 Р.
Решение.
1. Записываем формулу: Дп = Дэ·K.
2. Вставляем в формулу показатели и решаем:
Дп = 17 Р·0,88 (для воздушной среды) = 14,96 рад
3. Выражаем в СИ:
1 Гр – 100 рад
Х – 14,96 рад
Х⋅= =
0,15
.
100 рад
Ответ: Поглощенная доза составила 0,15 Гр (в СИ).
Результатом воздействия ионизирующих излучений на облучаемые объекты являются физико-химические и биологические изменения в этих объектах. Доза излучения – это величина, определяющая
характеристику излучения при его взаимодействии с веществом.
Во многих экспериментах было доказано, что конечный биологический эффект зависит не только от общей дозы поглощенной
энергии (или дозы на 1 г ткани) облучаемым объектом, но и от природы (вида) излучения.
При поглощении одинакового количества излучения разных видов одни из них оказываются гораздо опаснее других. Это связано
с удельной ионизацией излучения. Например, альфа-лучи вызывают большие повреждения, чем бета- и гамма-лучи. Разные виды
и разной энергии излучения обладают неодинаковой биологической
эффективностью. Это учитывает эквивалентная доза (Д
экв
).
Эквивалентная доза – способ оценки количества и действия
поглощенной энергии излучения, учитывающий различную биологическую эффективность разных видов излучений. Она представляет собой поглощенную дозу, умноженную на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани
организма – коэффициент качества излучения KK. Коэффициент
качества, или относительная биологическая эффективность (ОБЭ)
показывает, во сколько раз эффективность биологического действия
данного вида излучения больше, чем рентгеновского или гамма-излучения при одинаковой поглощенной дозе в тканях.
Д
= Дп·KK.
экв
54
Таблица 2 – Относительная биологическая эффективность (KK)
1 Зв 75 БЭР
ионизирующих излучений
Вид излучения
γ-излучение 1
r-излучение 1–2
β-излучение 0,3–3
α-излучение 10–20
поток протонов 10
тепловые нейтроны (медленные) 3–5
быстрые нейтроны 10
KK
Для того чтобы охарактеризовать биологическую эффективность данного вида излучения, было введено понятие биологиче-
ского эквивалента рентгена (БЭР) – доза любого вида ионизирующего излучения, вызывающая эффект, эквивалентный эффекту одного рентгена электромагнитного излучения. БЭР – это внесистемная
единица измерения эквивалентной дозы, в системе СИ данную дозу
измеряют в зивертах (Зв).
Соотношение между внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы и единицей СИ:
1 Зв = 100 БЭР 1 БЭР = 1∙10–2 Зв.
Пример: рассчитать эквивалентную дозу в Зв (зивертах), полученную организмом при облучении бета-частицами, если экспозиционная доза составила 25 Р.
Решение:
1. Находим дозу поглощенную по формуле:
Дп = Дэ·K Дп = 25Р·1 (для биологического объекта) = 25 рад
2. Находим дозу эквивалентную по формуле:
Д
= Дп·KK Д
экв
= 25 рад·3 (для бета-частиц) = 75 БЭР
экв
3. Выражаем в СИ:
1 Зв – 100 БЭР
Х – 75 БЭР
Х⋅= =
100 БЭР
0,75 Зв.
Ответ: Доза эквивалентная составила 0,75 Зв.
55
Если животное или человек подвергаются тотальному облучению, то в этом случае они получают суммарную эквивалентную дозу
облучения. Суммарный эффект от такого облучения рассчитывается
по формуле:
∑Д
= Д
экв
·KK + Д
п(γ)
·KK + Д
п(β)
·KK + …
п(α)
Необходимо учитывать, что одни ткани и органы более чувствительны к действию ионизирующей радиации, чем другие, поэтому биологический эффект одинаковой эквивалентной дозы, подействовавшей, например, на легкие и щитовидную железу, будет
неодинакова. Чтобы учесть это, было введено понятие эффективной
эквивалентной дозы (Д
). Это доза, отражающая суммарный эф-
эфф
фект облучения организма, представляет собой сумму эквивалентных доз различных органов и тканей, умноженных на их коэффициенты чувствительности – коэффициенты радиационного риска, она
также измеряется в зивертах.
Мощность дозы и единицы ее измерения. 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 превышающая 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 связи с этим введено понятие мощности
дозы. Мощность дозы (Р) – это доза излучения D, отнесенная к еди-
нице времени t: Р = D/t.
Чем больше мощность дозы Р, тем быстрее растет доза излучения D.
Для измерения мощности экспозиционной дозы в СИ служит
ампер на килограмм (А/кг), внесистемная единица – рентген в час
(Р/ч) или рентген в минуту (Р/мин) и т. д.
Соотношение между внесистемными единицами мощности
экспозиционной дозы и единицами системы СИ:
1 Р/ч = 0,9 А/кг.
56
За единицу мощности поглощенной дозы в СИ принят Грей
в час (Гр/ч), Грей в минуту (Гр/мин) и т.д., внесистемные единицы –
рад в час (рад/ч), рад в минуту (рад/мин) и т. д.
Соотношение между внесистемными единицами мощности поглощенной дозы и единицами системы СИ:
1 рад/ч = 1∙10–2 Гр/ч 1 Гр/ч = 1∙102 рад/ч
1 рад/с = 1∙10–2 Гр/с 1 Гр/с = 1∙102 рад/с
За единицу мощности эквивалентной дозы в СИ принят Зиверт
в час (Зв/ч), Зиверт в минуту (Зв/мин) и т.д., внесистемные единицы – БЭР в час (БЭР/ч), рад в минуту (БЭР/мин) и т. д.
Соотношение между внесистемными единицами мощности эквивалентной дозы и единицами системы СИ:
1 БЭР/ч = 1∙10-2 Зв/ч 1 Зв/ч = 1∙102 БЭР/ч
1 БЭР/с = 1∙10-2 Зв/с 1 Зв/с = 1∙102 БЭР/с
Принцип расчета доз при внутреннем (инкорпорированном) облучении. При работе с открытыми источниками ионизи-
рующих излучений радиоактивные вещества могут вследствие нарушения техники безопасности или при аварии попасть в организм
через дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт, поры кожи
и открытые повреждения. Иногда радиоактивные вещества вводят
в организм с диагностической, терапевтической или экспериментальной целью. Во всех случаях попадания радиоактивных веществ
в организм создается опасность лучевого поражения. Определить
дозу, полученную в результате внутреннего облучения, трудно и особенно тогда, когда неизвестно количество радиоактивного вещества,
поступившего в организм.
Следует отметить, что при одних и тех же количествах радиоактивного вещества внутреннее облучение во много раз опаснее внешнего. Это связано с рядом особенностей:
• резко возрастает время облучения, так как попавшие
внутрь организма радиоактивные вещества вступают в химическую связь с различными элементами живой ткани и медленно
выводятся из нее;
57
• расстояние от источника облучения до облучаемой ткани со-
.
ТТ
ТТ
кращается практически до нуля, а телесный угол, при котором излучение воздействует на организм, достигает 4π;
• внешнее облучение воздействует на все ткани практически
в равной степени, тогда как радиоактивные вещества отлагаются
внутри организма неравномерно и могут концентрироваться вблизи
особо чувствительных к излучению и важных в жизнедеятельности
органов или непосредственно в них (критические органы);
• наибольшая опасность внутреннего облучения связана еще
и с тем, что в числе поражающих факторов при внутреннем облучении необходимо учитывать линейную плотность ионизации, характеризуемую коэффициентом ОБЭ. Особенно это относится к альфаизлучению.
Содержание радиоактивных веществ в организме со временем
уменьшается в результате двух одновременно протекающих процессов: физического распада и биологического выведения их из
организма. Следовательно, эффективная постоянная выведения λ
будет складываться из постоянной физического распада λ
янной биологического выведения λ
λ
= λ
эфф
физ
биол
+ λ
:
.
биол
физ
эфф
и посто-
Скорость биологического выведения больше у тех радиоактивных веществ, которые имеют меньшее «сродство» с элементами живой ткани. Радиоактивные вещества, вступающие в обмен веществ
и прочные биологические соединения, удерживаются в организме
длительное время.
Если перейти от постоянных выведения к периодам полураспада
Т
и периодам полувыведения Т
физ
тивный период полувыведения Т
, то убывание активности (эффек-
биол
) можно определить по формуле:
эфф
=
физ биол
физ биол
+
показывает, за ка-
эфф
Т
эфф
Эффективный период полувыведения Т
кое время количество радиоактивного изотопа в организме (органе)
уменьшится в два раза. Дозу при внутреннем облучении можно под-
58
считать, если известны радиоактивный изотоп, закон распределения
0
t
D K C qT
γγ
его в организме и продолжительность облучения. Со временем концентрация радиоактивного изотопа в тканях организма будет уменьшаться по экспоненциальной зависимости:
t
−λ
эфф
С Ce
=
,
где С0 – исходная концентрация радиоактивного изотопа, мКu/г;
Ct – концентрация радиоактивного изотопа, оставшаяся по про-
шествии времени t, мКu/г;
е – основание натуральных логарифмов;
λ
– эффективная постоянная выведения;
эфф
t – время, прошедшее от начального момента (t = 0) до данного.
Мощность дозы при однократном поступлении радиоактивного
вещества пропорциональна концентрации и, следовательно, также
будет убывать по экспоненте:
t
−λ
эфф
P Pe
=
t
.
ϕ
Полная поглощенная доза D
чального момента времени t = 0 до полного распада изотопа, в каком-либо органе с распределенным в нем гамма-излучателем может
быть рассчитана по формуле:
где 0,032 – постоянный расчетный коэффициент поглощенных доз;
K – постоянная гамма-изотопа;
С0 – начальная концентрация изотопа в ткани, мКu/г;
ρ – плотность ткани, г/см3;
q – геометрический фактор, зависящий от формы и размера объекта;
Т
– эффективный период полувыведения изотопа из организма
эфф
(или из органа при расчете поглощенной дозы в органе).
Оценка геометрического фактора сложна. В справочниках даются ориентировочные значения q для различных точек тела разной
формы (шар, цилиндр и т. д.).
Поглощенную дозу D
поступления радиоизотопа в организм вычисляют по формуле:
(рад), накапливающаяся от на-
γoo
0,032 ,
= ρ
t
(рад) в любой момент времени после
γ(t)
0 ф( ф) э
59
(
)
0,693
β
(
)
(
)
t
T
эфф
0, 3 102
D K C qT е
γ
t
( )
0 эфф
γ
ρ −=
,
где С0 – начальная концентрация радиоизотопа, мКu/г;
t – время в днях.
Поглощенную дозу D
(рад) для короткоживущего бета-излу-
β(t)
чающего изотопа, распадающегося практически полностью в течение первых суток (или одной недели) после поступления его в биологическую ткань, рассчитывают по формуле:
0 эфф
β
,
73, 8
D C ET
=
β
t
( )
где 73,8 – постоянный расчетный коэффициент поглощенных доз,
если концентрация изотопа С выражена в мКu/г, а Т
– средняя энергия бета-частиц, МэВ.
Е
0,693
t
T
73, 8 1
D CET е
β
t
( )
0 эфф
β
эфф
−=
,
в сутках;
эфф
где t – время облучения, сут.
Альфа-излучающие вещества при попадании внутрь организма
оказывают более выраженное биологическое действие, чем гамма-
и бета-излучающие вещества при равной концентрации на 1 г ткани.
Это обусловлено высокой плотностью ионизации среды вдоль пути
альфа-частицы. Напомним, что отношение ОБЭ альфа-излучения
к ОБЭ гамма- и бета-излучений равно 10.
Поглощенную дозу D
(бэрад) от альфа-излучения за время
α(t)
t, когда заметно снижается концентрация радиоизотопа вследствие
физических и биологических процессов, рассчитывают по формуле,
аналогичной расчету поглощенной дозы от бета-излучения, но с введением в нее коэффициента ОБЭ:
0,693
t
T
эфф
73, 18
D CE ОБЭ T е
t
α
( )
( )
0 эфф
α
−=
,
где Еα – средняя энергия альфа-частиц.
60