10.3. Единицы активности и дозы ионизирующих излучений

Радиоактивный распад – явление вероятностное (статистическое). Если в образце находится N нераспавшихся ядер, то невозможно указать, какие из них распадутся в ближайший, достаточно малый, промежуток времени. Полностью определенной является вероятность распада ядра за 1 с, называемая постоянной распада . Закон радиоактивного распада в дифференциальном виде предсказывает число dN ядер, распавшихся за интервал времени dt:

dN = - Ndt. (10.1)

Активность радионуклида А (радиоактивность) определяется как скорость радиоактивного распада:

A = - (10.2)

Единицей измерения активности является беккерель (Бк). Один беккерель равен одному ядерному превращению в секунду. Внесистемная единица активности – кюри (Ku). 1 Кu = 3,7 · 10¹⁰ Бк. Численное значение 1 Ku исторически устанавливалась по активности радиоизотопа радия-226 (Ra-226) c массой, равной 1 г.

Время, в течение которого распадается половина радионуклида, называется периодом полураспада Т_1/2. Диапазон изменения Т_1/2 очень широк – от нескольких секунд до миллиардов лет. Например, радионуклид уран-238 имеет период полураспада, равный 4,56 миллиардов лет; радионуклид радий-226 – 1622 года; радионуклид стронций-90 – 29 лет; радионуклид радон-222 – 3,8 суток; радионуклид полоний-218 – 3,05 мин.

При распаде уменьшается количество радионуклида и уменьшается его активность. Процесс снижения активности подчиняется закону радиоактивного распада

А_t = A₀ e^{- t} = А₀е^{-0,693t/T1/2}, (10.3)

где А₀ – начальная активность, А_t – активность через период времени t,  =ln2/Т_1/2  постоянная распада радионуклида.

Доза излучения – ионизационный эквивалент энергии, переданный радиационным излучением фиксированному объему (массе).

Различают следующие дозы.

Экспозиционная доза излучения Х – ионизационный эквивалент энергии, переданный фотонами фиксированному объему воздуха. Другими словами, экспозиционная доза Х характеризует степень ионизации воздуха рентгеновским и гамма-излучением.

Единица измерения экспозиционной дозы – 1 кулон на килограмм (Кл/кг). Специальная единица экспозиционной дозы – рентген (Р); 1 Р = 0,285 мКл/кг.

Поглощенная доза D – величина энергии, переданной излучением любого вида единице массы вещества.

Единицей поглощенной дозы в системе СИ является грей (Гр); 1Гр = 1Дж/кг. Внесистемной единицей является рад; 1 рад = 0,01 Гр. Единица грей названа в честь английского физика и радиобиолога Л. Грея. Он же предложил и название рад, составленное из первых букв термина radiation absorbed dose (поглощенная доза радиации).

Биологический эффект различных ионизирующих излучений связан не только с количеством поглощенной энергии, но зависит и от пространственного распределения (от линейной плотности ионизации). Чтобы учесть этот эффект введено понятие эквивалентной дозы Н, которая определяется как произведение поглощенной дозы D на взвешивающий коэффициент (коэффициент качества) К_R , отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма:

Н =D ·К_R . (10.4)

При воздействии нескольких видов излучений эквивалентная доза определяется в виде

H =_R D_R  K_R , (10.5)

где D_R – средняя поглощенная доза излучения R; K_R – взвешивающий коэффициент для излучения R .

Для оценки биологического эффекта различного вида излучений руководствуются следующими значениями коэффициента К_R:

1. Рентгеновское излучение, гамма-излучение,

бета-излучение, электроны, позитроны 1

2. Альфа-излучение, осколки деления,

тяжелые ядра 20

3. Нейтроны с энергией менее 10 кэВ 5

4. Нейтроны с энергией от10 до 100 кэВ 10

5. Нейтроны с энергией от 100 кэВ до 2 МэВ 20

6. Нейтроны с энергией от 2 до 20 МэВ 10

7. Нейтроны с энергией более 20 МэВ 5

8. Протоны с энергией более 2 МэВ 5

В качестве единицы измерения эквивалентной дозы принят зиверт (Зв); 13в = 1 Дж/кг. Зиверт равен эквивалентной дозе излучения, при которой поглощенная доза равна 1 Гр при коэффициенте качества, равном единице.

Внесистемная единица – бэр (биологический эквивалент рада); 1 бэр = 0,01 Зв. За 1 бэр принимается такая поглощенная биологической тканью доза любого вида излучения, которая вызывает такой же биологический эффект, что и доза в 1 рад гамма-излучения или рентгеновского излучения, поглощенная той же тканью.

Эффективная доза – величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органе или ткани Н_Т на соответствующий взвешивающий коэффициент (коэффициент радиационного риска) для органа или биологической ткани К_Т:

Е =_Т Н_ТК_Т . (10.6)

Значения К_Т для отдельных видов ткани и органов, рекомендованные Международной комиссией по радиационной защите, приведены ниже:

гонады (половые железы) 0,20

красный костный мозг 0,12

толстый кишечник 0,12

легкие 0,12

желудок 0,12

мочевой пузырь 0,05

молочные железы 0,05

печень 0,05

щитовидная железа 0,05

пищевод 0,05

кожа 0,01

клетки костных поверхностей 0,01

остальное 0,30

организм в целом 1,00

В качестве единицы измерения эффективной дозы также принят зиверт (Зв).

Экспозиционная, поглощенная, эквивалентная и эффективная дозы, отнесенные к единице времени, носят название мощности соответствующих доз.