Рекомендуемая литература

1. Трухин В.И., Показеев К.В., Куницин В.Е. Общая и экологическая геофизика. - М.: Физматлит, 2005, (гриф УМО университетов России).

2. Богословский В.А., Жигалин А.Д., ХмелевскойВ.К. Экологическая геофизика. М: МГУ, 2000, (гриф УМО университетов России).

3. Жалковский Н.Д., Кучай О.А., Мучная В. И. Сейсмичность и некоторые характеристики напряженного состояния земной коры Алтае-Саянской области. // Геология и геофизика, 1995, т. 36, с. 20 - 30.

4. Пузырев Н.Н. Методы и объекты сейсмических исследований. Введение в общую сейсмологию , / РАН, Сиб. отделение, Объединенный ин-т геологии, геофизики и минералогии. Новосибирск, 1997. 301 с.

5. Сейсмичность Алтае-Саянской области / Ред. В.Н.Гайский. Новосибирск, ИГиГ СО АН СССР, 1975. 162 с.

Задание №3

Цель: знакомство со способами оценки биологического действия ионизирующих излучений и расчета доз внутреннего и внешнего облучения людей.

Задача: 1) изучить теоретические сведения;

2) Решить задачу, согласно вашего варианта. Варианта выбирается по последней цифре учебного шифра студента.

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Номер задачи.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10

1. Основные теоретические сведения

В понимании единиц радиоактивности существуют объективные трудности, связанные с тем, что имеются единицы измерения как самого явления, так и единицы по измерению воздействия этого явления на вещество. В соответствии с этим выделяют единицы активности и единицы дозы.

ЕДИНИЦЫ АКТИВНОСТИ (радиоактивности). Первой общепринятой единицей радиоактивности была принята активность 1 грамма химически чистого радия, т.е. 3.7  10¹⁰ распадов в секунду. Эта единица была названа Кюри (Ки). А единица в один распад за секунду называется Беккерель (Бк). Таким образом :

1 Ки = 3.7  10¹⁰ Бк или 1 Бк = 2.7  10^-11 Ки

Радиоактивность 1 грамма некоторых других элементов относительно радия будет следующей [ 3 ]:

Элемент	Радиоактивность 1 г., (Ки)	Элемент	Радиоактивность 1 г., (Ки)
U235	2.110-6	Co60	1.110-3
Cs137	87	C14	4.6
I131	1.2105	Rb87	8.510-8
Th232	1.1107	Sr90	145
Pu239	6.110-2	K40	6.810-6

Активность радионуклида прямо пропорциональна его количеству, поэтому количество радиоактивного вещества можно измерить, определив его активность в Бк/кг, Ки/л и т.д.

Единицы Ku/г , Бк/ л, Ku/л и т.д. называются единицами удельной активности. Существует также площадная активность - радиоактивность вещества , приходящаяся на 1 ед. площади, то есть: Ku/м², Ku/ км² , Бк/м², и т. д.

Для оценки активности жидких и газообразных радионуклидов (Rn, Tn и др.) часто используется понятие объемная концентрация радиоактивности, т. е. Количество распадов в единицу времени , отнесенное к объему вещества (Ku/л, Ku/м³,Бк/л; Бк/м³ и т. д.). Первоначально объемная концентрация радона измерялась в эманах и махе:

1 эман = 10^-10 Ku/л = 220 расп/ мин л

1 махе = 3,64 эман = 3,64  10^-10 Ku/л = 780 расп/мин л.

Характеризуя радиоактивность какого-либо материала, обычно конкретно указывают, о каком радионуклиде идет речь. При этом радиоактивность других изотопов, присутствующих в этом материале (напр., в грунте), не учитывается.

Например, для почв указывают отдельно радиоактивность по урану, торию и калию. Общая суммарная радиоактивность данной почвы от естественных радионуклидов не будет равна простой сумме активностей, а будет определяться по специальным зависимостям.

Суммарная эффективная удельная активность радионуклида (А_С ) при оценке соответствия строительных и некоторых других материалов радиационно-гигиеническим нормативам определяется:

Ac = A_Ra3.410^-7 + 1,31A_Th + 0,085A_K, (1)

где A_Ra ; A_Th ; A_K - удельные активности урана, тория и калия.

Если в материале определялась концентрация урана, а не радия, то вместо A_Ra подставляется содержание равновесного урана. Тогда формула (1) будет иметь вид:

A_C =A_U3.410^-7+1.31A_Th + 0.085A_K . (2)

При загрязнении материалов (грунтов, почв) техногенными радиоизотопами общая радиоактивность от загрязнения определяется как сумма активностей от каждого изотопа.

Например, если почва была загрязнена цезием, стронцием и кобальтом и их активности составляют соответственно 110 Бк/кг, 90 Бк/кг и 60 Бк/кг , то общая радиоактивность ( A_ ) почв составит:

A_ = A_C + 110 + 90 + 60.

Для перехода от удельной активности в Бк/кг; Бк/г и т.д. к площадной (Pв Бк/м², Ku/км²) и др. необходимо знать плотность (объемный вес) вещества. Различными авторами предложены разные переходные формулы, из которых наиболее известны и просты следующие (Гавшин В.М., Сухоруков Ф.В. и др., 1993):

P(Бк/км²) = А(Бк/кг)dh10⁷ ,

P(мКu/км²) = 0.27*А(мКu/км²)Аdh,

где d - плотность вещества, откуда берется проба (г/см³ ), h - глубина отбора пробы в см.

ЕДИНИЦЫ ДОЗЫ. В процессе распада радиоактивных элементов образуются потоки -квантов,  и -частиц, способных ионизировать окружающую среду (воздух, воду, биологические ткани и др.) и сообщать веществу дополнительную энергию.

Например, если при воздействии -квантов в см³ воздуха при нормальных условиях происходит его ионизация с образованием 2.08*10⁹ пар ионов (что соответствует электрическому заряду в 1 Кулон , а также поглощению 88 эрг энергии в 1 г воздуха ), то говорят, что экспозиционная доза - излучения соответствует 1 Рентгену (Р).

Экспозиционная доза, отнесенная ко времени, называется мощностью экспозиционной дозы. В системе СИ она измеряется в А/кг, но чаще используют внесистемные единицы Р/c; Р/ч; кР/ч; кР/c и т.д.

Переход от единиц активности вещества, выраженных, например, в кКu, к мощности экспозиционной дозы -излучения данного радионуклида в Р/ч, осуществляется при помощи гамма-постоянных, характерных для каждого изотопа и приведенных в справочной литературе (напр., Справочник по дозиметрии,1974).

Гамма-постоянная любого радионуклида равна мощности экспозиционной дозы -излучения нуклида в Р/час, которая создается точечным изотропным -источником активностью 1 мКu на расстоянии 1 см. Единица измерения -постоянной - Р*см²/г*мКu. Например, от источника Ra-226 активность 1 мКu на расстоянии 1 см создается мощность экспозиционной дозы -излучения 9.36 Р/ч, а от такого же источника цезия -137 - 3.1 Р/ч и т.д.

Кроме экспозиционной дозы, характеризующей степень ионизации воздуха, существует и другое понятие - поглощенная доза (D_П) - это энергия излучения, поглощенная единицей массы вещества. В системе СИ единицей ее измерения служит Грей (Гр): 1Гр = 100 рад.

Поглощенная доза, отнесенная ко времени поглощения, называется мощностью поглощенной дозы и измеряется в Гр/ч, Гр/с, мГр/ч, рад./с, рад/год и т.д.

По всему спектру -излучения до энергии 3 мэВ 1Р экспозиционной дозы соответствует поглощенной дозе в биологической ткани в 0.93 рад., т.е. 1Р около 0.93 рад., или 1Р  0.0093 Гр, тогда как в воздухе 1Р  0.88 рад.

Биологический эффект воздействия ионизирующего излучени зависит от вида излучения энергии частиц и -квантов. Например, -частица с энергией 4 мэВ проходит 31 мкм биологической ткани, а с энергией 10 мэВ - 130 мкм.

Связь понятий поля, дозы, радиобиологического эффекта и единиц их измерения можно представить в виде схемы, приведенной в таблице 1 (по Л.П.Рихванову, 1997).

Степень воздействия радиоактивного излучения на биологические системы оценивается с помощью относительной биологической эффективности (ОБЭ) излучения, которая выражается по отношению к дозе условно принятого стандартного типа излучения. Кроме того, для количественной оценки воздействия радиоактивного излучения на биологические ткани введено понятие коэффициента (или фактора) качества излучения ( КК или ФК ). Для -излучения КК = 1, для -излучения КК = 10, для -излучения с энергией  10 Мэв КК = 20.

Эквивалентная доза определяется, как поглощенная доза, умноженная на коэффициент качества излучения:

Н= D  КК. (3)

При приближенных расчетах обычно принимают, что для -излучения 1 бэр  1Р  0.93 рад. Сейчас основной единицей измерения эквивалентной дозы является Зиверт (Зв), 1 бэр = 100 Зв.

Таблица 1

Характеристика:		Источника	Поля	Облучения объектов
				Неживых	Живых
Величина .		Активность (С)	Экспозиционная доза (X)	Поглощенная доза (D)	Эквива-лентная
					доза (Н)
Едини- цы	СИ	Беккерель (Бк)	Кулон/кг (Кл/кг)	Грей (Гр)	Зиверт (Зв)
изме-рения	Внесистемная	Кюри (Кu)	Рентген (Р)	Рад	Бэр

Определение поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы,

создаваемой -излучением.

Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) -излучения по сравнению с -излучением и -излучением в 10 раз выше. Поэтому предельно допустимая поглощенная доза -излучения в 10 раз меньше, чем для  и  - излучения.

Пробег -частиц в биологической ткани составляет не более 100 мк и при внешнем облучении -частицы практически не представляют опасности, т.к. толщина защитного слоя кожи (эпидермиса) равна в среднем 70 мк. При попадании внутрь организма при дыхании, глотании или через поры кожи, -излучатели сильно воздействуют на внутренние ткани человека.

Если -излучатель равномерно распределен в некотором объеме ткани или тонкий слой -излучателя равномерно распределен на ее поверхности, поглощенная доза -излучения может быть рассчитана по формуле:

D_П = , (4)

где N_ - поток  - частиц на 1см²/cек, E_ - энергия  - частиц, мэВ, t - время облучения в часах, d - толщина слоя полного поглощения -излучения в ткани (см), 1.6*10^-6 - переводной коэффициент (мэВ  Эрг); 1 мэВ =1.6*10^-6эрг, 3600 - переводной коэффициент (час  сек).

Формулу (1) можно переписать в более удобном виде:

D_П = . (5)

Если N_ -в см²/c; E_ - в Мэв; t - в часах; d - в см. , то D_П - в радах.

Мощность поглощенной дозы, получаемой человеком, внутрь организма которого попал -излучатель, определяется по формуле:

Р_П = D_П/t , где t - время облучения.

Определение поглощенной дозы и мощности дозы  - излучения.

Предположим, что радиоактивный изотоп распределен в биологической ткани равномерно и пробег  - частиц мал по сравнению с размерами биологической ткани (органа) где распределен изотоп.

Тогда энергия, поглощенная в 1г ткани, будет равна энергии  - частиц, испущенных 1г ткани. При концентрации  - излучателя Q мКи/г, весе органа m граммов и средней энергии  - частиц E_ Мэв поглощенная доза в m граммах ткани равна:

. (6)

Поглощенная доза, отнесенная к 1г ткани :

. (7)

Поглощенная мощность дозы (для t сек)

P_ = D_ / t

P_ = 0.592*Q*E_ рад/сек; P_ = 2135*Q*E_ рад/час.

Если радиоактивный изотоп имеет относительно малый период полураспада Т, то при расчете поглощенной дозы необходимо учитывать выведение изотопа. Если обозначить Т_б период биологического полувыведения радиоактивного изотопа из организма, то эффективный период полураспада, учитывающий радиоактивный распад и биологическое выведение, выразится следующей формулой:

, (8)

или для соответствующих постоянных распада:

_ЭФ.=  + _б (9)

Если начальная активность изотопа, попавшего в организм, равна Q₀ мКu/ч, то по прошествии времени t его активность будет:

Q = Q₀*e^{- эф.* t} = Q₀*exp(-0.693* ^t/ Т_ЭФ.) мКu/ч. (10)

Мощность дозы от такого изотопа:

, (11)

где Т_ЭФ. выражено в секундах. Если Т_ЭФ дано в сутках, то

. (12)

Общая доза  - излучения, поглощенная 1 г ткани при полном распаде изотопа в организме (т.е. когда t велико) равна:

D_ = 7.3910⁴E_Q₀T_ЭФ (рад), (13)

где Е_ - в Мэв, Q₀ - в мКи, Т_ЭФ - в сутках.

Определение поглощенной дозы и мощности дозы  - излучения.

При определении дозы  - излучения, полученной человеком (или биологической тканью), поскольку  - излучение обладает большой проникающей способностью, необходимо учитывать геометрический фактор по  - излучению и гамма-постоянную данного изотопа.

Доза  - излучения определяется по формуле:

(14)

где  - средняя продолжительность жизни изотопа,  = Т_ЭФ./0.693 = 1/_ЭФ. ,

k_ - гамма постоянная (от 1 мКu на 1см),

100 - переходный коэффициент для выражения поглощенной дозы в радах ( 1 рад соответствует поглощенной энергии 100 эрг),

q - геометрический фактор облучаемого органа, а m - его вес.

Санитарными нормами предусмотрены следующие предельно допустимые дозы для внутреннего и внешнего облучения людей:

Категория облучения	Внешнее облучение всего организма		Внутреннее облучение критических органов
			(мбэр/неделя)
	мбэр/неделю	бэр/год	1	2	3
А- профессиональное	100	5	100	300	600
облучение
Б- облучение рабо-тающих в соседних помещениях и нахо-дящихся в пределах санитарной зоны	10	0.5	10	30	60
В- облучение всего
населения	1	0.05	1	10	20

Группы критических органов при расчете ПДД:

1 - все тело, гонады, хрусталики глаз и кроветворные органы;

2 - мышцы, жировая ткань, печень, почки, ЖКТ, легкие;

3 - кожа, щитовидная железа, кости.

Задание

Используя приведенные выше сведения, решить задачу согласно вашего варианта. При решении задачи изложить основные теоретические сведения, подробное решение задач с необходимыми пояснениями и сделать выводы.

Вариант 1. Определить допустимую продолжительность ежедневного рабочего времени персонала в зоне -излучения мощностью 3000 мкР/час и 4000 мкР/час.

Недельная допустимая экспозиционная доза составляет 0.1 Р при 6-часовой продолжительности рабочего дня и 5 -дневной рабочей неделе.

Вариант 2. Известно, что изменения в крови человека наступают при ежедневном воздействии дозы 0.002 - 0.005 Гр. Определить, наберет ли человек такую дозу при ежедневной 6 -часовой работе в зоне с мощностью экспозиционной дозы 10 000 мкР/час.

Вариант 3.. Человеку весом 70 кг в организм попал изотоп Na²⁴ активностью Q₀=1мКu. Определить суммарную дозу  и  -излучения, если средняя энергия -излучения Na²⁴=0.55 мэВ, эффективный период полураспада Т_ЭФ.=15 ч. Гамма - постоянная Na²⁴ k_=19 Р/ч, геометрический фактор для туловища человека q = 200.

Вариант 4..Смертельная единовременная доза рентгеновского излучения для 50% людей равна примерно 400 Р. Вычислить повышение температуры тела человека в результате поглощения им этой дозы рентгеновского излучения, считая, что поглощение излучения в воздухе и ткани человеческого организма одинаково. При повышении температуры можно считать, что ткань человеческого тела эквивалентна воде. (1 кал = 4.18*10⁷ эрг).

Вариант 5.. Вычислить допустимую мощность экспозиционной дозы  -излучения (в час), если допустимая доза  -излучения за рабочую неделю равна 0.1 Р при продолжительности рабочего дня 6 час и шестидневной рабочей неделе.

Вариант 6.. Известно, что изменения в крови человека наступают при ежедневном воздействии дозы 0.002-0.005 Гр. Какова должна быть мощность экспозиционной дозы, чтобы в течение 6 часов работы человек получил дозу 0.002 Гр?

Вариант 7.. В щитовидной железе человека отложилось 1 мКu изотопа J¹³¹. Вес железы 40 г. Эффективный период полураспада иода близок к физическому Т=8 суток. Средняя энергия излучения Е_=0.187 Мэв. Гамма-постоянная иода k = 2.3 Р/ч. Геометрический фактор для щитовидной железы можно взять как для шара малого размера, q=15. Определить суммарную дозу  излучения.

Вариант 8.. Смертельные поглощенные дозы для отдельных частей тела человека следующие: голова - 20, грудная клетка - 100, нижняя часть живота - 30 Гр.

Определить энергию, соответствующую этим дозам, считая, что поглощение излучения в воздухе и ткани человеческого организма одинаково. На сколько градусов можно нагреть этой энергией стакан воды (200 г.) ? (1кал = 4.18*10⁷эрг).

Вариант 9.. Рассчитать поглощенную дозу  -излучения при полном распаде препарата Р³² активностью 1,5 мКu, попавшего в организм человека. Средняя энергия  -частиц Е_=0.69 Мэв, Т=14.3 суток. Можно принять, что изотоп не выводится из организма.

Вариант 0.. Смертельные поглощенные дозы для отдельных частей тела следующие: верхняя часть живота - 50, грудная клетка - 100, конечности - 200 Гр.

Определить энергию, соответствующую этим дозам, считая, что поглощение излучения в воздухе и ткани человеческого организма одинаково. На сколько градусов можно нагреть этой энергией стакан воды (200 г.) ? (1кал = 4.18*10⁷эрг).