Дозовые характеристики ионизирующих излучений и факторы воздействия

Ионизирующие излучения способны оказывать негативное воздействие на организм человека. Эффект воздействия будет тем существеннее, чем больше энергии передаётся тканям. Количество энергии ионизирующего излучения, передаваемое веществу, называют дозой.

Основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия на вещество, является поглощённая доза ионизирующего излучения, Гр:

,

где – средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объёме; dm – масса вещества в элементарном объёме.

Поглощённая доза измеряется в Дж/кг и имеет специальное название – Грей, 1Гр = 1 Дж/кг. Внесистемная единица измерения поглощённой дозы – рад; 1 Гр = 100 рад. Допускается вместо термина "поглощённая доза излучения" использовать краткую форму – "доза излучения". В биологическом объекте поглощённая доза распределяется неравномерно.

Для оценки воздействия на вещество косвенно ионизирующих излучений используют вместе с поглощённой дозой понятие – керма, Гр, (kerma – аббревиатура от английских слов – kinetic energy released in material):

,

где dW_k – сумма начальных кинетических энергий всех заряженных частиц, образованных косвенно ионизирующим излучением в элементарном объёме вещества; dm – масса вещества в элементарном объёме.

Керма применима как для фотонов, так и для нейтронов. Следует отметить, что для энергий фотонов не более 3 МэВ значение кермы в воздухе может превышать значение поглощённой дозы в воздухе не более чем на 1%, т.е. D_В » K_В. От поглощённой дозы фотонного излучения в воздухе можно перейти к поглощённой дозе в биологической ткани:

,

где r=m_Т/m_В=1,09; m_Т, m_В – массовые коэффициенты поглощения энергии соответственно в биологической ткани и воздухе, м²/кг.

В задачах радиационной безопасности для учёта стохастических эффектов биологического воздействия различных видов ионизирующих излучений при кратковременном или хроническом облучении любого органа и всего тела используется эквивалентная доза. Эквивалентная доза ионизирующего излучения – это средняя поглощённая доза излучения в органе или ткани, умноженная на взвешивающий радиационный коэффициент для биологической ткани стандартного состава:

,

где W_R – взвешивающий радиационный коэффициент, учитывающий относительную эффективность различных видов излучения.

Единицей измерения эквивалентной дозы является Дж/кг, имеющий специальное название – Зиверт, 1 Зв = 1 Дж/кг. Внесистемная единица измерения эквивалентной дозы – бэр, 1 Зв = 100 бэр. Стандартный состав биологической ткани в процентах по массе принят следующим: 10,1 % водорода, 11,1 % углерода, 2,6 % азота, 76,2 % кислорода. Взвешивающий радиационный коэффициент зависит от вида и энергии излучения; для фотонов и b-частиц W_R = 1 Зв/Гр, для нейтронов различных энергий W_R = 2 - 12 Зв/Гр, для a-излучения W_R = 20 Зв/Гр.

При фотонном излучении

.

Если поле ионизирующих излучений состоит из нескольких видов излучений, то

,

где R – индекс вида и энергии излучения; N – число ионизирующих излучений, отличающихся видом или энергией.

Разные органы и ткани по‑разному воспринимают ионизирующие излучения. Известно, что при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение ракового заболевания в лёгких более вероятно, чем в щитовидной железе. Поэтому для случаев неравномерного облучения разных органов или тканей человека введено понятие эффективной дозы. Эффективная доза – это сумма средних эквивалентных доз в различных органах или тканях, умноженных на взвешивающие коэффициенты, Зв:

,

где Н_T,i – средняя эквивалентная доза в i-й ткани или органе; W_T,i – взвешивающий тканевый коэффициент, характеризующий радиочувствительность i-й ткани или органа; N_т – число облучённых тканей или органов в организме, отличающихся своей радиочувствительностью. Для лёгких W_T=0,12; для щитовидной железы W_T=0,05 и т.д. Суммарное значение

.

При равномерном облучении

и .

До последнего времени для оценки взаимодействия ионизирующих излучений с воздушной средой применялось понятие экспозиционной дозы. Экспозиционная доза фотонного излучения есть отношение суммарного заряда всех ионов одного знака, возникающих при полном торможении электронов и позитронов, которые были образованы фотонами в элементарном объёме воздуха, к массе воздуха в этом объёме, Р:

,

где dQ – суммарный заряд всех ионов одного знака в элементарном объёме; dm – масса воздуха в элементарном объёме. (Это понятие с 1.01.90 использовать не рекомендуется.)

Отношение приращения дозы за интервал времени dt к этому интервалу даёт мощности поглощённой дозы, кермы, эквивалентной и эффективной доз:

, , , .

Значения этих величин могут быть как постоянными, так и переменными во времени.

Фактором воздействия радиационной аварии является мощность ионизирующего излучения, воздействующего на организм, орган или ткань. Вместе со временем воздействия она создаёт параметр воздействия, называемый дозой, величина которого может быть выражена, в частности, значением эффективной дозы ионизирующего излучения.