8. Рекомендуемая литература

1. Цыб А.Ф., Королюк И.П., Капишников А.П. Беседы о ядерной медицине, М.: Изд. «Медицина», 2009.

2. Радиация и патология (под общей редакцией А.Ф. Цыба). Учебное пособие. М.: Высшая школа, 2005.

3. Радионуклидная диагностика для практических врачей / Под ред. Ю.Б.Лишманова, В.И.Чернова. Томск: STT, 2004.

4. MCNP – a General Monte-Carlo N-particles Transport Code. LA-12625-M, 1997.

5. Клепов А.Н., Кураченко Ю.А., Матусевич Е.С. Применение методов математического моделирования в ядерной медицине. Обнинск: ИАТЭ, 2006.

6. Степаненко В.Ф., Норец Т.А., Анохин Ю.Н. О возможности переноса на организм человека экспериментально установленных дозиметрических характеристик внутреннего облучения. “Радиобиология”, 1979, том 19, вып. 6, С. 887-892.

7. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). 2.6.1. Ионизирующее излучение, радиационная безопасность. Издание официальное. Москва: Роспотребнадзор, 2009.

8. Схемы распада радионуклидов. Энергия и интенсивность излучения: Публикация 38 МКРЗ в 2-х ч.: Пер. с англ. Москва: Энергоатомиздат, 1987.

9. Полезные определения, термины и величины (глоссарий).

Атом

Если исходить из упрощенной модели материи, то она представляет собой взаимосвязанные вещество и энергию, в соответствии с знаменитой формулой Альберта Эйнштейна Е=mc². Вещество состоит из атомов. Всем известна ”планетарная модель” атома, открытая сэром Эрнестом Резерфордом. Она включает в себя ядро, состоящее из протонов и нейтронов и орбитальных электронов, находящихся в различных энергетических состояниях вокруг ядра.

Общеизвестны четыре основных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерное. Сильное ядерное взаимодействие обеспечивает удержание протонов и нейтронов в составе ядра. Электромагнитная энергия распространяется в виде фотонов. Фотонное (электромагнитное) излучение – это свет, а также гамма, рентгеновское, характеристическое, тормозное излучения.

Атомы являются фундаментальными структурами вещества. Известно более 2000 различных атомов, объединенных в периодической таблице Менделеева в более, чем 105 различных классах.

Орбитальные электроны находятся на относительно больших расстояниях от ядра (по сравнению с размерами ядра). Электроны, которые намного легче протонов и нейтронов имеют отрицательный электрический заряд, равный 1.60217653x10^-19 кулона (кулон, Кл, в международной системе единиц СИ обозначает единицу электрического заряда, английская аббревиатура кулона – C; названа в честь французского физика и инженера Шарля Огюста Кулона – Charles-Augustin de Coulomb, 1806). 1 Кл=6,28x10¹⁸ зарядов электрона. Масса электрона равна 0.000549 атомной единицы массы (а.е.м., или дальтон, английская аббревиатура a.e.m., - это внесистемная единица массы, равна 1/12 массы ¹²C, приблизительно равна 1.6605389782x10^-27 кг). Второе название атомной единицы массы дано в честь английского химика, метеоролога, естествоиспытателя, исследователя болезни цветовой слепоты (дальтонизм) Джона Дальтона (John Dalton, 1766).

Протон является стабильной частицей ядра с положительным зарядом, численно равным заряду электрона, и массой 1,007 276 466 812 а.е.м.

Нейтрон не имеет электрического заряда, в составе ядра он стабилен (в свободном состоянии нейтрон не стабилен), его масса равна 1,00866491600 а.е.м.

Электроны образуют вокруг ядра различные электронные “оболочки”, различающиеся по своей энергии. Начиная с ближайшей к ядру оболочки они называются K, L, M, N, …Эти оболочки далее подразделяются на субоболочки - s, p, d, f, … Взаимодействие между электронами и ядром имеет электромагнитную природу. Поэтому носителем энергии, ответственной за это взаимодействие, является фотон. Переход электрона из одного энергетического состояния в другое (из одной оболочки в другую) или же удаление его вне атома сопровождается фотонным излучением или же поглощением фотонов атомом. Когда число электронов в атоме равно числу протонов в ядре атом является нейтральным. В силу различного рода взаимодействий один или несколько электронов могут быть удалены из электронных оболочек и в результате образуется положительный ион. Если же число электронов превышает число протонов в ядре, то образуется отрицательный ион. Энергия, необходимая для удаления электрона из атома называется энергией ионизации. Когда такого рода ионизация вызывается внешним излучением, то такого рода излучение называется ионизирующим.

Атомный номер (Z) равен общему числу протонов внутри ядра. Все атомы с одинаковым атомным номером занимают одну и ту же позицию в периодической системе. Различные атомы, имеющие одинаковой число протонов, но различное число нейтронов называются изотопами (”изо” означает “то же”, ”топ” - ”место”). Число нейтронов в ядре может быть равно, меньше или больше числу протонов. Сумма числа нейтронов и протонов называется массовым числом атома (A). Атом обозначается его названием (например, H – водород), а также его атомным номером (нижний индекс слева) и массовым числом (верхний индекс слева). Если число нейтронов в ядре больше или меньше, чем это требуется для стабильности ядра, то изотоп является нестабильным. Нестабильные изотопы называются радиоизотопами. В целом, нестабильные атомы называются радионуклидами. Такие атомы распадаются до достижения стабильного состояния. Это явление называется радиоактивностью и представляет собой спонтанные ядерные превращения (распады) атомов до достижения стабильного состояния.

Активность (А)

А(t)=dN(t)/dt, где

dN(t) – ожидаемое число спонтанных ядерных превращений (распадов) в момент времени t из данного энергетического состояния радионуклида (нестабильного атома), происходящих за промежуток времени dt. Единицей активности в современной Международной системе единиц СИ является беккерель (Бк). Международная аббревиатура – Bq. 1 Бк = 1 распад/сек.

Название единицы активности было присвоено в честь Генри Беккереля (Henri Becquerel, 1986), открывшего явление радиоактивности.

Использовавшаяся ранее внесистемная единица активности кюри (Ки) равна 3,7 × 10¹⁰ Бк. Международная аббревиатура – Ci.

Название этой единицы активности было присвоено в честь супругов Пьера и Мари Кюри (Pierre Curie, Marie Curie), открывших радий и полоний.

Альфа-активность

Альфа-радиоактивность представляет собой излучение частиц, состоящих из двух протонов и двух нейтронов (это ядра ⁴He). Излучение производится тяжелыми нестабильными ядрами. При этом типе радиоактивности часто возникают новые (дочерние) ядра в энергетически возбужденном состоянии. Снятие энергетического возбуждения происходит путем гамма-излучения. Дочернее ядро содержит на два протона и два нейтрона меньше, чем исходное ядро (родительское) и находится на два места левее в периодической системе элементов, а его атомный вес на 4 единицы меньше, чем у родительского ядра. Альфа-частицы моноэнергетичны, их энергия измеряется в электронвольтах (эВ), или же в килоэлетронвольтах (кэВ), мегаэлектронвольтах (МэВ) (английские аббревиатуры – eV, keV, MeV). В системе СИ 1 эВ равен энергии в 1,6x10^-19 джоуля (Дж, английская аббревиатура – J). Эта единица названа в честь знаменитого английского физика и пивовара Джеймса Прескотта Джоуля (James Prescott Joule, 1818).

Энергии альфа-частиц и их относительные интенсивности (альфа-спектр) специфичны для каждого альфа-распада. Этот факт используется для идентификации альфа-излучающих радионуклидов (альфа-спектрометрия).

Бета-активность.

В отличие от альфа-радиоактивности , которая присуща только тяжелым ядрам, бета-радиоактивность может иметь место для ядер любой массы. В случае нестабильных ядер с избытком нейтронов происходит излучение бета-частицы (электрона) с отрицательным зарядом и электронного антинейтрино (нейтральной частицы с нулевой массой покоя). В случае нестабильных ядер с избытком протонов происходит излучение позитрона, который имеет ту же массу, что и электрон, но положительный электрический заряд, а также излучается электронное нейтрино (без заряда, с нулевой массой покоя). В результате могут образовываться новые ядра в возбужденном энергетическом состоянии (при излучении бета-частицы новое ядро занимает место справа от исходного ядра в периодической системе элементов, при излучении позитрона новое ядро занимает место слева в периодической системе элементов). Снятие энергетического возбуждения осуществляется путем излучения гамма-квантов. Поскольку бета-частицы или позитроны разделяют свою энергию с антинейтрино или нейтрино, соответственно, то бета-спектр (позитронный спектр) является непрерывным. Энергия бета-чатиц или позитронов варьирует от нулевого значения до максимальной величины, эта максимальная величина специфична для каждого бета-излучающего радионуклида. При максимальной энергии бета-частицы или позитрона антинейтрино или нейтрино имеют нулевую кинетическую энергию. В силу непрерывности бета- (или позитронного) энергетического спектра бета-спектрометрия представляет собой более сложную задачу по сравнению с альфа- и гамма-спектрометрией.

Гамма-излучение.

Гамма-кванты (фотоны) являются моноэнергетичным электромагнитным излучением энергетически возбужденных дочерних ядер. Гамма-излучение возникает из-за реорганизации ядерных частиц и является процессом, в результате которого снимается избыточная энергия энергетически возбужденных ядер. Энергии и относительные интенсивности гамма-квантов специфичны для каждого ядра. Поэтому измерение энергий и относительных интенсивностей гамма-квантов, излучаемых ядрами может служить способом идентификации конкретных радионуклидов. Например, ⁶⁰Co излучает гамма-кванты с энергией 1.18 МэВ (интенсивность 100%) и энергией 1.33 МэВ также с интенсивностью 100% (обе интенсивности равны 100% поскольку это каскадное излучение). Такого рода процесс идентификации радионуклидов называется гамма-спектрометрией. Энергия гамма-квантов, излучаемых различными ядрами варьирует от десятых долей кэВ по десятков (или более) МэВ. Здесь необходимо отметить, что при гамма-спектрометрии гамма-кванты малой энергии (десятые доли кэВ) трудно отличить от характеристического моноэнергетичного квантового излучения (или X-излучения), возникающего при переходах орбитальных электронов между атомными электронными оболочками.

Иной тип гамма-излучения имеет место в случае, когда излучаемый ядром позитрон взаимодействует с окружающим веществом. В этом случае позитроны при взаимодействии с электронами окружающего вещества аннигилируют, в результате чего излучается два гамма-кванта с энергией 0,511 МэВ (характерно, что эти гамма-кванты излучаются в строго противоположных направлениях). Поэтому, при использовании на практике излучателей позитронов необходимо учитывать наличие гамма-излучения в процессе спектрометрических и дозиметрических измерений, при обеспечении радиационной безопасности.

Внутренняя конверсия.

Внутренняя конверсия (английская аббревиатура – IC, т.е. ”internal conversion”) – это еще один механизм, с помощью которого энергетически возбужденное ядро может снять избыток энергии. При этом орбитальные электроны, находящиеся на наиболее близких к ядру электронных оболочках (обычно это K или L M оболочки) взаимодействуют с ядром, получая от него энергию, в результате этого удаляются из атома. Внутренняя конверсия не сопровождается излучением нейтрино. Излучаемый атомом электрон внутренней конверсии моноэнергетичен и тем самым он отличается бета-частицы – как в силу природы своего образования, так и из-за моноэнергичности (бета-частицы имеют непрерывный спектр). После того, как электрон внутренней конверсии излучается атомом, возникает вакансия на одной из внутренних электронных оболочек атома. Эта вакансия замещается электроном из более удаленной электронной оболочки и как результат происходит излучение характеристических квантов электромагнитной энергии (X-излучение) или же излучается Ожэ-электрон. В результате внутренней конверсии атомный номер ядра не изменяется, т.е. не происходит трансмутации одного ядра в другое.

Электронный захват.

Электронный захват – это процесс, при котором ядро с избытком протонов поглощает электрон с электронной оболочки атома (обычно это K-оболочка или L-оболочка, что называется “К-захват” или “L-захват”). При этом протон ядра превращается в нейтрон и происходит излучение нейтрино. Здесь необходимо отметить, что свободный протон не может быть превращен в свободный нейтрон в результате электронного захвата – для этого необходимо, чтобы протон и нейтрон были в составе ядра. В результате число нейтронов в ядре увеличивается на 1, а число протонов уменьшается на 1, так что массовое число (А) остается неизменным, но изменяется атомный номер (Z), т.е. - за счет изменения числа протонов электронный захват трансформирует нуклид в новый элемент, который располагается на одно место левее в периодической системе элементов. Новое ядро может оказаться в возбужденном состоянии, которое снимается гамма- излучением. В то же время атом (не ядро) также может оказаться в энергетически возбужденном состоянии с внутренней электронной оболочкой, потерявшей электрон (с вакансией). При переходе атома в невозбужденное (стабильное) состояние вакансия на внутренней оболочке замещается электроном с более удаленной оболочки, что приводит к освобождению энергии возбуждении. Эта энергия реализуется в виде фотонного (характеристического или X) излучения, однако есть вероятность того, что X излучение будет поглощено электроном этого же атома и в результате уже этот электрон будет излучен атомом (с соответствующей вероятностью). Такого рода электроны называются Ожэ электронами. Итак, при снятии энергетического возбуждения атома, возникшего в результате электронного захвата происходит излучение характеристической электромагнитной энергии (X-излучение) и/или излучается Ожэ-электрон. Если при этом новое образовавшееся ядро также находится в энергетически возбужденном состоянии, то это возбуждение снимается гамма-излучением.

Характеристическое излучение (X-излучение).

Характеристическое излучение является разновидностью электромагнитного (или что то же - фотонного) излучения и возникает в ситуациях, когда образуется вакансия на одной из внутренних электронных оболочках атома. Такого рода вакансии могут образовываться либо в результате внутренней конверсии, либо в результате электронного захвата, либо же при воздействии на атом внешним фотонным или электронным облучением. В результате атом оказывается в энергетически возбужденном состоянии с внутренней электронной оболочкой, потерявшей электрон (с вакансией). При переходе атома в невозбужденное (стабильное) состояние вакансия на внутренней оболочке замещается электроном с более удаленной оболочки, что приводит к освобождению энергии возбуждении. Эта энергия реализуется в виде фотонного (характеристического или X) излучения, однако есть некоторая вероятность того, что X излучение будет поглощено электроном этого же атома и в результате уже этот электрон будет излучен атомом (с соответствующей вероятностью). Такого рода электроны называются Ожэ электронами. Итак, при снятии энергетического возбуждения атома, возникшего в результате одного из перечисленных выше процессов происходит излучение характеристической электромагнитной энергии (X-излучение) и/или излучаются Ожэ-электроны.

Характеристическое излучение моноэнергетично и специфично (характерно) для атомов, имеющего вакансию на внутренней электронной оболочке, следовательно может быть использовано для идентификации этих атомов. Этот феномен используется в различных спектроскопических методиках (”рентгеновская спектроскопия”) для целей определения элементного состава вещества.

Ожэ-электроны.

Так же как и характеристическое излучение, Ожэ-электроны излучаются в ситуациях, когда образуется вакансия на одной из внутренних электронных оболочках атома (K, L, M). Такого рода вакансии могут образовываться либо в результате внутренней конверсии, либо в результате электронного захвата, либо же при воздействии на атом внешним фотонным или электронным облучением. В результате атом оказывается в энергетически возбужденном состоянии с внутренней электронной оболочкой, потерявшей электрон (с вакансией). При переходе атома в невозбужденное (стабильное) состояние вакансия на внутренней оболочке замещается электроном с более удаленной оболочки, что приводит к освобождению энергии возбуждении. Эта энергия реализуется в виде фотонного (характеристического или X) излучения, однако есть некоторая вероятность того, что X излучение будет поглощено электроном этого же атома и в результате уже этот электрон будет излучен атомом (с соответствующей вероятностью). Такого рода электроны называются Ожэ электронами. Итак, при снятии энергетического возбуждения атома, возникшего в результате одного из перечисленных выше процессов происходит излучение характеристической электромагнитной энергии (X-излучение) и/или излучаются Ожэ-электроны.

Ожэ-электроны моноэнергетичны, а их энергия зависит от типа атомов, а также от химического состава вещества, в котором локализован возбужденный атом. Соответственно, спектроскопия Ожэ-электронов заключается в следующем: образцы исследуемого вещества облучаются Х-излучением или электронами соответствующей энергии. Измерение интенсивности излучаемых при этом Ожэ электронов в зависимости от их энергии (т.е. измерение спектра) может быть использовано для идентификации излучающих атомов и для получения некоторой информации об их окружении.

Ожэ-электроны, так же как и электроны Костера-Кронига, представляют большой интерес в связи с тем, что, обладая малой энергией (от десятых долей кэВ до единиц кэВ) они могут излучаться возбужденными атомами с большой интенсивностью (за счет того, что при снятии энергетического возбуждения атома число Ожэ-электронов может достигать нескольких электронов на один акт снятия возбуждения – это имеет место, если вакансии образованы на нескольких внутренних электронных оболочках). В результате, если излучающий атом присоединен к биологически важным субклеточным структурам (например, к ДНК), то на расстояниях от единиц до сотен нанометров может быть создана очень большая плотность ионизации, что вызывает тяжелые, плохо восстанавливаемые (плохо репарируемые) повреждения ДНК, подобно биологическим эффектам, вызываемым альфа-частицами. Это свойство Ожэ-излучателей может быть использовано для радиотерапии злокачественных новообразований.

Физический Ожэ эффект был впервые открыт швейцарским физиком, лауреатом Нобелевской премии Феликсом Блохом (Felix Bloch, 1905) и американским физиком-экспериментатором Перли Асоном Россом (Perley Ason Ross, 1883). Затем этот эффект был изучен и описан в 1922 году австрийским физиком Лиз Мейтнер (Lise Meitner, 1878). Однако, несмотря на это, Ожэ-электроны названы так по имени французского физика Пьера Виктора Ожэ (Pierrre Victor Auger, 1899 ), который, после получения высшего образования в 1922 году, включил эту тему в качестве главной в свою диссертацию (1923 год).

Электроны Костера-Кронига.

Излучение возбужденными атомами электронов Костера-Кронига являются специальным случаем Ожэ процесса. При этом образовавшаяся вакансия на внутренней электронной оболочке замещается электроном с более удаленной от ядра субоболочки той же самой электронной оболочки, где образовалась вакансия. Электроны Костера-Кронига названы так в честь голландского физика Дирка Костера (Dirk Coster, 1889), соавтора открытия элемента Hf, и немецко-американского физика Ральфа Кронига (Ralph Kronig, 1904), изучившими и описавшими этот эффект.

Нейтронное излучение.

Нейтроны излучаются как в результате ядерных реакций, так и в результате спонтанного (самопроизвольного) распада тяжелых ядер (например, ядер природного урана). Ядерная реакция, в результате которой тяжелое ядро разделяется на две отдельные части называется реакцией деления. В процессе реакции деления излучаются 2 или 3 нейтрона и выделяется энергия. Если эти нейтроны снова поглощаются, то имеет место индуцированная реакция. Цепная реакция деления возникает, если она самоподдерживается за счет излучения и поглощения достаточного для этого числа нейтронов. Контролируемая цепная реакция имеет место в ядерных реакторах.

В результате спонтанного деления, например ядер природного урана, излучается весьма малое число нейтронов. Вместе с тем, в ядерном реакторе, число излучаемых нейтронов может быть очень большим. Если необходимо получить нейтронное излучение с интенсивностью большей, чем при спонтанном делении, но меньшей, чем при цепной реакции, то могут быть использованы иные типы ядерных реакций. Например, весьма распространено использование реакции альфа-частиц (ядер ⁴He) c бериллием (⁹Be) , в результате чего образуется ¹²С, излучается нейтрон и выделяется энергия. В качестве источников альфа-излучения могут быть использованы радионуклиды радия (Ra), полония (Po), америция (Am) или плутония (Pu). В этом случае нейтронные источники называются Ra-Be, Po-Be, Am-Be или Pu-Be.

Период физического полураспада.

Важной характеристикой радионуклидов является время, за которое их число уменьшается на половину. Этот период времени называется “периодом полураспада” радионуклида. Период полураспада (T_1/2, имеет размерность единицы времепни) и константа распада (λ, имеет размерность обратную единице времени) связаны следующим соотношением:

 

T_1/2 = ln2/λ

где ln – обозначение натурального логарифма.

Выражение, описывающее изменение активности радионуклида (A) со временем t, имеет следующий вид:

A(t) = A(0)×exp( -ln2×t/T_1/2 )

где A(0) – начальная активность радионуклида, exp – обозначение экспоненты.

Величины T_1/2 для различных радионуклидов представлены в соответствующих справочниках.

 

Go to:

Table of Contents Previous Module Next Module Periodic Table Glossary

MODULE 4: RADIATION DOSIMETRY

4.1 Exposure

As explained in the previous module, when radiation interacts with matter, electrons are removed from atoms through the process called ionization. When the energy of the radiation is not strong enough, electron excitation (jumps from lower shells to upper shells) may occur. The excitation of molecules or breaking of molecular bonds can also occur, causing damage to living cells. When the energy of radiation is large enough to produce ionizations, the radiation is called ionizing radiation. Otherwise, it is called non-ionizing radiation.

When dealing with the interaction of gamma and X-rays in air, the term exposure is used. Exposure measures the electric charge (positive or negative) produced by electromagnetic radiation in a unit mass of air, at normal atmospheric conditions.

In the SI system of units, exposure is measured in X unit:

1 X unit = 1 C/kg air

where C is Coulomb, the SI unit for electric charge.

The average energy dissipated to produce a single ion pair in air is 34 eV. Since the charge of an electron is equal to 1.6x10^-19C, an association can be established between an X unit and the energy measured in Joules, dissipated in 1kg of air. Hence, one X unit is equivalent to 34 J/kg.

Formerly, before the SI system was adopted, the unit of X-ray exposure was called the Roentgen (R). R was defined as the quantity of gamma or X-radiation that can produce ions carrying one statCoulomb of charge (of either sign), per cubic centimetre of air at 0 degrees Celsius and 760 mm Hg of pressure (1 atm).

1 R = 1 sC/cm3

The stat Coulomb is the old unit of measure for electric charge. The relation between SI unit (C) and sC is 1C = 3x10⁹sC. As mentioned above to produce an ion (electric charge of 1.6x10^-19C) an average energy of 34 eV = 34 x 1.6x10^-19J is required. Since the mass of one cubic centimetre of standard air is 0.001293 g, an exposure of 1 Roentgen corresponds to absorbing energy of 0.00877 J/kg in dry air.

With the above associations we can now establish the correspondence between X unit and R:

1 X unit = 3881 R

1 R = 2.58 x 10-4C/kg

At a distance "d" from a point source of radiation, exposure follows an inverse square law, that is, when the distance increases by a factor "k", exposure decreases by a factor "k²").  

Example: Exposure from a Cs-137 point source at 10 cm is 10 R. Find the exposure at 1 m. Answer: The distance between the Cs-137 source and the point at which exposure is determined to have increased 10 times. Therefore, the exposure at 1 m will be 100 (102) times less, i.e. 0.1R = 100mR.

Exposure is a very useful physical term because it can easily be measured. We just have to measure the charge produced by the radiation in air (or the electrical current, multiplied by time) to find out the strength of the electromagnetic field. The instruments used for this purpose are ionization chambers. Measurement results are usually expressed in R or mR.

4.2 Absorbed Dose

Although exposure from gamma or X-rays is easily measured in everyday life, we also deal with other types of radiation, like alpha, beta, or neutron. Additionally, we are also interested in the effects of radiation in other materials (like human tissue, for example) not only in dry air.

To measure the interaction of all types of radiation with any kind of material, the term absorbed dose is used. The units of measure for absorbed dose in the SI system is J/kg or gray (Gy). Named after Louis Harold Gray. A radiation field that deposits 1 Joule of energy in 1 kg of material has an absorbed dose of 1 Gy.

The old unit of measure for absorbed dose is rad (short for "radiation absorbed dose"). The relationship between the SI unit and the old unit is:

1 Gy = 100 rad

or

1 rad = 0.01Gy

There exists a relationship between absorbed dose in dry air and exposure.

As explained above, 1 X unit is equivalent to 34 J/kg or 34 Gy.

Therefore:

1 R  0.877 rad in air

and 1 R  0.00877 Gy in air

However, a more important relationship exists between absorbed dose and exposure in tissue (gamma or X radiation). For a standard compostion of muscle tissue, with mass and electronic density compared to standard dry air mass and electronic density, we have:

1 X unit = 1 C/kg air  37 J/kg tissue

For muscle tissue, a good "rule of the tumb" is obtained by combining the above formulae:

1 R  1 rad in muscle

and 1 R  0.01 Gy in muscle

Important deviations from this rule apear, especially at low energy, for gamma and X-rays in other types of tissues. Absorbed dose in bone tissue at low energy is more than in muscle, while it is less in adipose tissue.

4.3 Radiation Dose Equivalent (H)

The term "dose" is used in connection with many other terms. But the most important meaning of dose is connected with radiation dose equivalent. The radiation dose equivalent and the corresponding unit of measure, the sievert (Sv in SI), named after Rolf Sievert, and rem (in old units), are used for radiation protection purposes, engineering design criteria, and for legal and administrative purposes. Because of this, radiation dose equivalent in day to day life, is often simply called "dose".

Rolf Sievert in his laboratory 1929.

If we define radiation dose equivalent with H and absorbed dose with D, the dose equivalent is defined as:

H (in Sv) = D (in Gy) x QF x DF

Where QF is the quality factor for the type of radiation. It varies from 1 (for gamma, X-ray and beta radiation) to 20 (for alpha radiation and intermediate energy neutrons or fission fragments). DF is the non-uniform distribution factor and applies only to internally deposited radioactive materials (e.g. I-125 in the thyroid or Sr-90 in the bone).

The old unit for measuring radiation dose equivalent is the rem (short for roentgen equivalent man).

The relationship between exposure, absorbed dose, and equivalent dose is simple for gamma or X-rays when applied to muscle tissue (good approximation).

1 X unit  37 Gy  37 Sv

1 R  1 rad = 0.01 Gy  1 rem = 0.01 Sv

N.B.: This "rule of the thumb" can only be applied to gamma and X-rays for muscle tissue. For other types of radiation, or other tissues, the relationship may be very different (e.g. results differ by a factor of 20 for alpha radiation).

4.4 External Dose

When the source of radiation is situated outside of the body, the irradiated person will receive what is referred to as an external dose. The calculation of external dose can be performed for the whole body, for extremities, and for superficial skin dose (0.07cm depth) or shallow dose (1cm depth). The type of radiation also plays an important role for assessing external dose.

For gamma and X-rays, the "inverse square law" can be applied for point sources and absorption in air can be neglected for relatively short distances. For beta radiation, the absorption in air can be very important (depending on the beta energy). For alpha radiation, the external dose is zero since alpha particles cannot penetrate past the layer of dead skin (see Module 3).

Film badges or thermoluminescent dosimeters (TLD) are used to measure the external dose

4.5 Internal Dose

Internally deposited radionuclides will irradiate a person's body from the inside. Typical routes for internal irradiation are inhalation or ingestion of radionuclides and are referred to as intake. However, radioactive materials are not completely retained in the body. The amount that is retained after an intake is called the uptake. Radionuclides can be retained for varying amounts of time inside the human body. Some are fixed (like Sr-90 inside the bones or I-131 and I-125 inside the thyroid) but the majority of an intake gets eliminated. Therefore, all radionuclides have a "biological half-life", which is the time after which the uptake decays to half of its original value. This biological half-life is considered in addition to the natural disintegration half-life of the radionuclide.

To most accurately estimate the internal dose, the percent of uptake, biological and natural half-life of the radionuclides, as well as the type of radiation, radiation energy, and preferred organ must be taken into consideration. Starting from the permitted annual dose (see Module 9), an annual allowable limit of intake (ALI) can be calculated for each radionuclide. An estimate of the dose received over the next 50 years from an intake is also called the committed dose.

4.6 Natural dose

Due to the presence of numerous sources of ionizing radiation in the natural environment (i.e. around us and inside us), the dose received from these types of sources has been named the natural dose, or background. The natural dose varies around the world by more than a factor of ten. This variation arises from differences in soil composition, type of materials used for building, food and water, to the altitude (the higher the altitude, the larger the irradiation from cosmic sources) etc. Nevertheless, the main contribution (over 50%) comes from inhalation of radioactive Radon gas products found in the air we breathe. Another important contributor to the natural dose is from K-40 inside our bodies. In North America, the natural dose varies between 2 and 3 mSv (200 and 300 mrem) per year.

4.7 Artificial dose

The total dose received by an average person in North America is in fact bigger than the amount shown above. This is due to artificially produced radiation and is referred to as the artificial dose. The main artificial dose in North America comes from X-ray machines used in medical diagnoses.

Federal regulations impose a limit for artificial dose received from sources other than medical purposes. This value was recently established for Members of the General Public at 1 mSv (100 mrem) per year.

4.8 Dose rates

Each of the terms used above (Exposure, Absorbed Dose, Radiation Equivalent Dose, etc.) can also be described as a function of time. When doing so, the terms are called: Exposure rate, Absorbed Dose rate, Dose Equivalent rate, Natural Dose rate, Artificial Dose rate, etc. The units of measure remain the same. However, values are divided by the time interval. For example we can have R/hr, mrem/week, mSv/year, etc.