РАЗДЕЛ 3
ДОЗЫ ОБЛУЧЕНИЯ

Автор-составитель:к.ф.-м.н. Л.И. Клочкова

3.1. Система дозиметрических величин

Результат воздействия ионизирующих излучений на исследуемые объекты заключается в физико-химических или биологических изменениях в этих объектах. Цель дозиметрии — измерение и теоретические расчеты дозиметрических величин для оценки радиационного эффекта. Главная цель радиационной безопасности — обеспечить условия использования источников ионизирующего излучения, при которых вред для человека от возможных радиационных эффектов был бы приемлемым.

В Нормах радиационной безопасности НРБ–99 [1] и Основных санитарных правилах ОСПОРБ–99 [2] сформулированы общие требования к организации и проведению дозиметрического контроля облучения персонала. При этом система контроля обеспечения радиационной безопасности персонала должна отвечать требованиям, которые выработаны международным сообществом [3–23].

Методология контроля радиационной безопасности опирается на современную систему дозиметрических величин [24–40], которая включает:

физические величины, являющиеся характеристиками источников, полей ионизирующего излучения и их взаимодействия с веществом;

нормируемые величины, являющиеся мерой ущерба (вреда) от воздействия излучения на человека;

операционные величины, являющиеся величинами, однозначно определяемыми через физические характеристики поля излучения в точке или через физико-химические характеристики аэрозоля в точке; эти величины максимально приближены к соответствующим нормируемым величинам в стандартных условиях облучения и предназначены для консервативной оценки нормируемых величин при дозиметрическом контроле.

3.1.1.Физические величины

Основной величиной в дозиметрии является поглощенная доза. Поглощенная доза D равна отношению средней энергии , переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm этого вещества:

. (3.1)

В системе СИ единицей поглощенной дозы является Гр (грей). 1 Гр = 1Дж/кг. Внесистемная единица поглощенной дозы — рад * . 1 рад = 10 –2 Гр.

Средняя доза. Энергия может быть усреднена по любому определенному объему, и в этом случае средняя доза будет равна полной энергии e, переданной объему, деленной на массу этого объема m:

. (3.2)

Мощность поглощенной дозы D равна производной от поглощенной дозы по времени:

, (3.3)

где dD — приращение поглощенной дозы за интервал времени dt.

В системе СИ единицей мощности поглощенной дозы является Гр/с.

Экспозиционная доза X рентгеновского или g -излучения равна отношению суммарного заряда D Q всех ионов одного знака, создаваемых корпускулярным излучением (сопряженным с электромагнитным) в элементарном объеме воздуха при нормальных условиях, к массе D m воздуха в этом объеме:

(3.4)

Если выполняется условие «электронного равновесия», то экспозиционная доза в воздухе эквивалентна поглощенной дозе. Под электронным равновесием понимается такое взаимодействие излучения со средой, при котором энергия излучения, поглощенная в некотором объеме среды, равна суммарной кинетической энергии электронов, образовавшихся в результате взаимодействия g -излучения с веществом. Электронное равновесие может иметь место при облучении потоком g -квантов неограниченно протяженной, однородной по атомному составу и плотности среды (например воздуха).

В системе СИ единицей экспозиционной дозы является Кл/кг (кулон на килограмм). В условиях электронного равновесия дозе 1 Кл/кг соответствует поглощенная доза 33,85 Гр в воздухе или 36,9 Гр в биологической ткани (различные коэффициенты поглощения).

Внесистемная единица экспозиционной дозы — Р * (рентген). 1 Р = 2,58 × 10 –4 Кл/кг. Поскольку 1 Р соответствует образованию 2,08 × 10 9 пар ионов в 1 см 3 воздуха, то, принимая энергию образования пары ионов в воздухе равной 34 эВ, получим, что 1 Р = 8,8 × 10 –3 Гр.

В процессе перехода на единицы СИ экспозиционная доза подлежит изъятию из употребления [41]. Причины такого решения следующие:

экспозиционная доза была введена только для фотонного излучения, поэтому она не может использоваться в полях смешанного излучения;

область использования экспозиционной дозы ограничена энергией Е g £ 3 МэВ;

нецелочисленные коэффициенты связи между внесистемными единицами и единицами СИ могут быть причиной многочисленных ошибок.

Мощность экспозиционной дозы равна производной от экспозиционной дозы по времени

(3.5)

где dX — приращение экспозиционной дозы за интервал времени dt.

В системе СИ единицей мощности экспозиционной дозы является А/кг.

3.1.1.3. Линейная передача энергии

Линейная передача энергии L (ЛПЭ) равна отношению средней энергии , переданной веществу заряженной частицей при столкновении с электронами на элементарном пути dx, к длине этого пути:

(3.6)

Единица ЛПЭ — кэВ/мкм.

Флюенс частиц Ф равен отношению числа частиц dN, проникающих в элементарную сферу, к площади центрального сечения dS этой сферы:

(3.7)

В системе СИ единица флюенса — м –2 .

3.1.1.5. Плотность потока частиц

Плотность потока частиц j равна флюенсу за единицу времени:

(3.8)

В системе СИ единица плотности потока — м –2 × с –1 .

3.1.2. Нормируемые величины

3.1.2.1. Доза в органе или ткани

Доза в органе или ткани D_T равна средней поглощенной дозе в определенном органе или ткани человеческого тела:

, (3.9)

где D — поглощенная доза в элементе массы dm; m_T — масса органа или ткани.

3.1.2.2. Эквивалентная доза в органе или ткани

Найдено, что одинаковые поглощенные дозы от различных видов излучений оказывают различное биологическое воздействие на живой организм. Для того, чтобы учесть эти различия, вводят понятие эквивалентная доза в органе или ткани.

Эквивалентная доза H_T, полученная органом или тканью Т, равна поглощенной дозе D_T,R в органе или ткани T, умноженной на соответствующий взвешивающий коэффициент W_R для данного вида излучения R. При воздействии на тело человека различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами W_R эквивалентная доза в органе или ткани определяется как сумма эквивалентных доз в органе или ткани для этих видов излучения:

. (3.10)

Взвешивающие коэффициенты W_R (табл. 3.1) не зависят от облучаемого органа или ткани. Значения W_R определены в зависимости от вида и энергии излучения и характеризуют источник излучения. Взвешивающие коэффициенты W_R предназначены для определения нормируемых величин.

Взвешивающие коэффициенты W_R для основных видов излучения

Излучение

W_R Фотоны любых энергий

1 Электроны и мюоны любых энергий

1 Протоны с энергией более 2 МэВ
(кроме протонов отдачи)

5 a -Частицы, осколки деления,
тяжелые ядра

20 Нейтроны с энергией:

от 10 до 100 кэВ

от 100 кэВ до 2 МэВ

В табл. 3.1 приведены значения W_R для излучения, падающего на тело, а в случае внутреннего облучения — испускаемого при ядерном превращении. Облучению с равными эквивалентными дозами в органе или ткани соответствуют равные ущербы.

В системе СИ единицей эквивалентной дозы является Зв (зиверт). 1 Зв = 1 Дж/кг.

Мощность эквивалентной дозы в органе или ткани равна производной от эквивалентной дозы по времени

, (3.11)

где dH _Т — приращение эквивалентной дозы в органе или ткани за интервал времени dt.

В системе СИ единицей мощности эквивалентной дозы является Зв/с (зиверт в секунду).

3.1.2.3. Ожидаемая эквивалентная доза при внутреннем облучении

Ожидаемая эквивалентная доза H _Т( t ) при внутреннем облучении человека равна

, (3.12)

где — мощность эквивалентной дозы в органе или ткани Т к моменту времени t; t₀ — момент поступления радиоактивного вещества в организм; t — время, прошедшее после поступления радиоактивного вещества в организм.

Значение t соответствует ожидаемой оставшейся продолжительности жизни человека. Принято, что t = 50 лет для взрослых лиц старше 20 лет. Когда время t не определено, его следует принять равным 50 годам для взрослых и 70 годам для детей.

В системе СИ единицей ожидаемой эквивалентной дозы является Зв (зиверт).

Эквивалентная доза в органе или ткани равна сумме эквивалентной дозы внешнего облучения и ожидаемой эквивалентной дозы внутреннего облучения.

Мощность эквивалентной дозы внутреннего облучения в органе (ткани) T от радионуклида V, содержащегося в органе (ткани)-источнике S, равна [31]:

, (3.13)

где S — орган, являющийся источником излучения; V ¢ — радионуклиды цепи распада материнского радионуклида V; a(t|S)_{V ¢} — активность в момент времени t радионуклида V ¢ , содержащегося в органе-источнике S; R — вид ионизирующего излучения, испускаемого при превращении радионуклида, содержащегося в органе-источнике S; Y_R,V — выход излучения вида R на одно ядерное превращение радионуклида V; e _R — энергия излучения типа R; f(t, e _R|T ¬ S)_R — поглощенная в органе (ткани) Т доля энергии e _R, выделившейся в органе-источнике S к моменту времени t; W_R — взвешивающий коэффициент; m_T(t) — масса органа (ткани) Т к моменту времени t.

Суммирование производится по всем органам-источникам S; по всем радионуклидам V ¢ цепи распада материнского радионуклида V, возникающим в органах-источниках в результате превращения и перемещения материнского радионуклида; по всем видам ионизирующих излучений R, испускаемых при превращениях радионуклидов, содержащихся в органе-источнике S. Зависимость от времени функций f(t, e _R|T ¬ S)_R и m_T(t) в выражении (3.13) определяется изменением с возрастом размеров и массы органов тела человека.

Эффективная доза Е равна сумме произведений взвешивающих коэффициентов W_T для органов или тканей на эквивалентные дозы H_T, полученные этими органами или тканями:

. ( 3.14)

Эффективная доза Е является величиной, которая используется как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека или отдельных его органов и тканей с учетом их различной радиочувствительности. Облучению с равными эффективными дозами соответствуют равные ущербы. Числовые коэффициенты W_T (табл. 3.2) установлены примерно равными отношению эквивалентной дозы равномерного облучения всего тела к эквивалентной дозе облучения органа, при которых ожидается один и тот же ущерб.

Взвешивающие коэффициенты W_T для различных тканей и органов человека

Ткань или орган

W _T Половые железы (гонады)

0,20 Красный костный мозг

0,12 Толстый кишечник

0,12 Легкие

0,12 Желудок

0,12 Мочевой пузырь

0,05 Грудная железа

0,05 Печень

0,05 Пищевод

0,05 Щитовидная железа

0,05 Кожа

0,01 Клетки костных поверхностей

0,01 Остальное

Под понятием «остальное» подразумеваются надпочечники, головной мозг, экстраторакальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечная ткань, поджелудочная железа, селезенка, вилочковая железа, матка.

В системе СИ единицей эффективной дозы является Зв.

Ожидаемая эффективная доза Е ( t ) при внутреннем облучении человека равна

(3.15)

где W_T — взвешивающий коэффициент для органа или ткани T; H_T( t ) — ожидаемая эквивалентная доза в органе или ткани T.

На практике для упрощения расчета эффективной дозы вместо уравнений (3.14) и (3.15) используют следующие соотношения:

(3.16)

где Ф( e )_R — флюенс излучения R с энергией e ; e( e )_R — дозовый коэффициент излучения R, равный эффективной дозе при облучении тела человека потоком излучения R с единичным флюенсом и энергией e ;

(3.17)

где П _V,G — активность радионуклида V, поступившего в организм в виде соединения типа G; e( t )_V,G — дозовый коэффициент радионуклида V, равный ожидаемой эффективной дозе при поступлении в организм 1 Бк радионуклида V в виде соединения типа G.

Величины e( e )_R и e( t )_V,G приведены в НРБ–99 (табл. 8.5 и 8.8; приложения П-1 и П-2) [1].

В системе дозиметрических величин эффективная доза внешнего облучения (3.14) и ожидаемая эффективная доза внутреннего облучения (3.15) эквивалентны. Эффективной дозой Е называют сумму эффективной дозы внешнего облучения и ожидаемой эффективной дозы внутреннего облучения.

Мощность эффективной дозы равна производной от эффективной дозы по времени:

, (3.18)

где dE — приращение эффективной дозы за интервал времени dt.

В системе СИ единицей мощности эффективной дозы является Зв/с.

3.1.2.5. Годовая эффективная (эквивалентная) доза

Годовая эффективная (эквивалентная) доза равна сумме эффективной (эквивалентной) дозы внешнего облучения, полученной за календарный год, и ожидаемой эффективной (эквивалентной) дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением в организм радионуклидов за этот же год.

Единица годовой эффективной (эквивалентной) дозы — Зв.

3.1.2.6. Коллективная эффективная доза

Коллективная эффективная доза равна сумме индивидуальных эффективных доз. Коллективная эффективная доза является мерой коллективного риска возникновения радиационных эффектов облучения. Единица коллективной эффективной дозы — чел.-Зв. В области малых доз облучению с коллективной эффективной дозой 1 чел.-Зв соответствует ущерб, равный потере 1 чел.-года полноценной «коллективной» жизни облученного коллектива.

3.1.3. Операционные величины

Нормируемые величины непосредственно измерить невозможно. Для оценки нормируемых величин при радиационном контроле предназначены операционные величины, которые непосредственно измеряются. Введение операционных величин необходимо для унификации методов контроля. В методических указаниях [33] установлены операционные величины:

эквивалент дозы Н;

мощность амбиентного эквивалента дозы ;

индивидуальный эквивалент дозы Н_р(d);

объемная активность воздуха на рабочем месте А _V.

Эквивалент дозы Н равен поглощенной в точке дозе D, умноженной на средний коэффициент качества излучения для излучения, воздействующего на ткань в данной точке:

, (3.19)

где k(L) — коэффициент качества излучения, зависящий от полной линейной передачи энергии излучения L; D(L)dL — поглощенная в точке доза от излучения с линейной передачей энергии в интервале ( L, L + dL).

Коэффициент качества излучения определяется следующим образом:

(3.20)

Среднее значение коэффициента качества излучения в точке определяется соотношением

(3.21)

Единица эквивалента дозы в системе СИ — Зв. Внесистемная единица эквивалента дозы — бэр. 1 бэр = 10 –2 Зв.

3.1.3.2. Амбиентный эквивалент дозы

Амбиентный эквивалент дозы Н * (d) равен эквиваленту дозы Н, который был бы создан в шаровом фантоме МКРЕ (рис. 3.1) на глубине d (мм) от поверхности по диаметру, параллельному направлению излучения. Поле излучения, в котором находится фантом, идентично рассматриваемому полю по составу, флюенсу и энергетическому распределению, но оно однородно и мононаправлено.

Соответствие между нормируемыми и операционными величинами
при групповом дозиметрическом контроле

Нормируемая величина

Операционная величина:
мощность амбиентного эквивалента дозы

условное обозначение Мощность эквивалентной дозы внешнего облучения кожи

(0,07) Мощность эквивалентной дозы внешнего облучения хрусталика глаза

(3) Мощность эквивалентной дозы внешнего облучения на поверхности нижней части области живота женщины

(10) Мощность эффективной дозы внешнего облучения

(10)

Характеристика шарового фантома МКРЕ: шар диаметром 30 см; химический состав фантома эквивалентен составу мягкой ткани (массовая доля химических элементов, %: кислород — 76,2; углерод — 11,1; водород — 10,1; азот — 2,6); плотность — 1000 кг/м 3 ; эффективный атомный номер Z _эфф = 6,5.

Рис. 3.1. Схема облучения шарового фантома МКРЕ

Амбиентный эквивалент дозы используется для характеристики поля излучения в точке, совпадающей с центром шарового фантома. Единица амбиентного эквивалента дозы — Зв.

Мощность амбиентного эквивалента дозы равна производной от амбиентного эквивалента дозы dH * (d) по времени:

. (3.22)

Мощность амбиентного эквивалента дозы используется для контроля радиационной обстановки в рабочих помещениях и на рабочих местах с целью группового дозиметрического контроля персонала. Значение параметра d, определяющего требования к приборам дозиметрического контроля, зависит от того, для определения какой нормируемой величины используется ее амбиентный эквивалент. Соответствие между нормируемыми и операционными величинами представлено в табл. 3.3.

3.1.3.3. Индивидуальный эквивалент дозы

Индивидуальный эквивалент дозы H_p(d) равен эквиваленту дозы в мягкой биологической ткани, определяемому на глубине d (мм) под рассматриваемой точкой на теле (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схема облучения плоского фантома

Единица индивидуального эквивалента дозы — Зв .

Значение параметра d, определяющего требования к индивидуальному дозиметру внешнего облучения, а также положение дозиметра на теле работника определяются тем, для определения какой нормируемой величины используется ее индивидуальный эквивалент в соответствии с рекомендациями Международной комиссии по радиационной защите (МКРЗ), Международной комиссии по радиационным единицам и измерениям (МКРЕ) и Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) [4, 7, 15, 20, 22]. Соответствие между нормируемыми и операционными величинами представлено в табл. 3.4.

Соответствие между нормируемыми и операционными величинами
при индивидуальном дозиметрическом контроле

Нормируемая величина

Операционная величина: индивидуальный эквивалент дозы

положение индивидуального дозиметра

условное обозначение Эквивалентная доза внешнего облучения кожи На поверхности наиболее
облучаемого участка кожи

H_p (0,07) Эквивалентная доза внешнего облучения
хрусталика глаза На лицевой части головы

H_p (3) Эквивалентная доза внешнего облучения на поверхности нижней части области живота женщины На соответствующем месте поверх спецодежды

H_p (10) Эффективная доза внешнего облучения На нагрудном кармане спецодежды

3.1.3.4. Объемная активность воздуха в рабочем помещении

Операционной величиной для контроля радиационной обстановки на рабочих местах при внутреннем облучении является объемная активность A_V радионуклида в воздухе рабочего помещения. Объемная активность равна отношению активности А радионуклида в воздухе к объему V воздуха:

. (3.23)

Единица объемной активности в системе СИ — Бк/м 3 .

Использование операционных величин в радиационном контроле нацелено на оценку значений соответствующих нормируемых величин. В общем виде связь между величинами, используемыми в радиационном контроле, выглядит следующим образом:

Измерение физической величины

Определение операционной величины

Сравнение c пределом дозы

Оценка нормируемой величины

Коэффициент связи a и схема определения операционных величин выбираются таким образом, чтобы проведенная с их помощью оценка значения нормируемой величины была больше истинного значения нормируемой величины в данных условиях облучения.

Источник