Радиационной защите, и их единицы

Физическая величина	Наименование и обозначение единицы	Соотношение между единицами
системы СИ	внесистемная	системы СИ и внесистемной	внесистемной и в системе СИ
Активность нуклида в радиоактивном источнике. Выражает число распадов в единицу времени.	Беккерель (Бк, Вq)	Кюри (Ки, Си)	1 Бк = 1 расп. в с, 1 Бк = 2,7 •10-11 Ки	1 Ки = 3,7 •1010 Бк
Удельная активность.	Беккерель на килограмм (Бк/кг).	Кюри на килограмм (Ки/кг).	1 Бк/кг = 2,7•10-11 Ки/кг	1 Ки/кг = 3,7•1010 Бк/кг
Поглощенная доза излучения. Количество энергии ионизирующего излучения,	Грей (Гр, Gy).	Рад (рад, rad).	1 Гр=1 Дж / кг; 1 Гр = 100 рад; 1 Дж = 105 рад/г	1 рад= 100 эрг/г = 0,01 Гр = 102 Дж/кг = 10-2Гр; 1 рад/г

Продолжение табл. 1.4.

Физическая величина	Наименование и обозначение единицы	Соотношение между единицами
системы СИ	внесистемная	системы СИ и внесистемной	внесистемной и в системе СИ
поглощенное единицей массы физического тела, например, тканями организма.				= 10-5 Дж.
Доза эквивалентная. Поглощенная доза, умноженная на коэффициент, учитывающий неодинаковую радиационную опасность разных видов ионизирующего излучения (см. табл. 1.6).	Зиверт (3в, Sv).	Бэр (бэр, rem).	1Зв = 1Гр = 1 Дж/кг = 100 бэр (для β- и γ излу- чения); 1 Зв = 2,58•10-4 Кл/кг.	1 бэр = 0,01Зв = 10 мЗв.
Доза эффективная (эффективная эквивалентная). Сумма сред- них эквивалентных доз в различных органах или тканях, взвешенных с коэффициентами учета различной чувствительности органов и тканей к возникновению	Зиверт (3в, Sv).	Бэр (бэр, rem).	1Зв = 1Гр = 1 Дж/кг = 100 бэр (для β- и γ излучения).	1 бэр = 0,01Зв = 10 мЗв.

Продолжение табл. 1.4.

Физическая величина	Наименование и обозначение единицы	Соотношение между единицами
системы СИ	внесистемная	системы СИ и внесистемной	внесистемной и в системе СИ
стохастических эффектов радиоактивного воздействия (см. табл. 1.7).
Экспозиционная доза излучения. Отношение суммарного заряда всех ионов одного знака, возникающих при полном торможении электронов и позитронов, образованных фотонами в элементарном объеме воздуха, к массе воздуха в этом объеме.	Кулон на килограмм (Кл/кг)	Рентген (Р)	1 Кл/кг = 3876 Р = 3,88•103 Р.	1 Р = 2,58•10-4 Кл/кг
Мощность дозы облучения - доза, полученная организмом за единицу времени.	Грей в секунду (Гр/ с = Дж/кг•с = Вт/кг); Зиверт в секунду (Зв/с), Ампер на килограмм (А/кг).	Рад в секунду (рад/с), Бэр в секунду (бэр/с), Рентген в секунду (Р/с).	1 Гр/с = 100 рад/с, 1 Гр/с=1 Зв/с = 100 Р/с (для β- и γ- излучения); 1 Зв/с = 100 бэр/с 1 А/кг = 3876 Р/с.	1 рад/с = 0,01 Гр/с, 100Р/с = 1 3в/с=1 мкГр/с.

 

Продолжение табл. 1.4.

Физическая величина	Наименование и обозначение единицы	Соотношение между единицами
системы СИ	внесистемная	системы СИ и внесистемной	внесистемной и в системе СИ
Удельная поверхностная активность радионуклида.	Беккерель на квадратный метр (Бк/ м2).	Кюри на квадратный километр (Ки/км2).	1 Ки/км2 = 3,7•104 Бк/м2.	1 Бк/м2 = 2,7•10-5 Ки/км2.

поглощает энергию в 1 джоуль (Дж). 1 Гр = 1 Дж/кг = 2,388•10^-4 ккал/кг = 6,242•10¹⁵ эВ/г = 10⁴ эрг/г = 100 рад.

Энергию частиц измеряют в электрон-вольтах (эВ). Электрон-вольт - это энергия, которую приобретает электрон под действием электрического поля с разностью потенциалов (напряжением) в 1 вольт.

1 эВ = 1,6•10^-12 эрг = 1,6•10^-19 джоуля = 3,83•10^-20 калорий

Исходя из соотношений: 1 Дж = 0,239 кал = 6,25•10¹⁸ электрон-вольт = 10⁷ эрг,

1 рад = 10^-2Дж/кг = 100 эрг/г = 0,01 Гр = 2,388 × 10^-6 кал/г.

Кратные единицы поглощённой дозы – килогрей (1 кГр = 1 Гр•10³), миллигрей (1 мГр = 1 Гр•10^-3). Принцип образования кратных единиц измерения ионизирующей радиации представлен в табл. 1.5.

Поглощённая энергия расходуется на нагрев вещества, а также на его химические и физические превращения. Она растёт с увеличением времени облучения и зависит от состава вещества, вида излучения (рентгеновское излучение, поток нейтронов и т. п.), энергии его частиц, плотности их потока и состава облучаемого вещества. Например, для рентгеновского и γ-излучений она зависит от атомного номера (Z) элементов, входящих в состав вещества.

Характер этой зависимости определяется энергией фотонов, зависящей от частоты электромагнитных колебаний – hv В данной формуле:h — постоянная Планка; введена М. Планком в1900 г. при

 

установлении закона распределения энергии в спектре излучения абсолютно чёрного тела. Наиболее точное значение h = (6,626196 ± 0,000050)•10^-34 джоуль•с = (6,626196 ± 0,000050)•10^-27 эрг•с. Однако чаще пользуются h = h/2π = (1,0545919 ± 0,0000080)•10^-27 эрг•с, также называемой постоянной Планка, а v — это частота электромагнитных колебаний.

В результате таких взаимодействий в биологических тканях нарушаются физиологические процессы, и развивается в ряде случаев лучевая болезнь различной степени тяжести. Поглощенная доза излучения является основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия.

Рис. 1.6. Образование естественных радио нуклидов при распаде 238U

Мощность поглощенной дозы – приращение дозы в единицу времени. Она характеризуется скоростью накопления дозы облучения и может увеличиваться или уменьшаться во времени. Её единица в системе СИ – грей в секунду (Гр/с). Это такая мощность поглощенной дозы излучения, при которой за 1 с в веществе поглощается доза излучения в 1 Гр. На практике для оценки мощности поглощенной дозы излучения до сих пор широко используют внесистемную единицу мощности поглощенной дозы – рад в час (рад/ч) или рад в секунду (рад/с). Эта доза может создаваться как после внешнего, так и после внутреннего облучения.

Как внешнее, так и внутреннее облучение человека создаётся антропогенными и естественные источники. Последние имеют земное и космическое происхождение. Среди первых решающую роль играют 40 α-радиоактивных изотопов. Они объединены в три радиоактивных ряда, которые начинаются с тория (²³²Th) и урана (²³⁸U и ²³⁵U). К ним можно отнести также и четвертый ряд – ряд нептуния, начинающийся c ²³⁷Np (многие радионуклиды из этого семейства уже распались). Отдельно от этих семейств находится калий-40 (⁴⁰К) и рубидий-87 (⁸⁷Rb).

Один из первых открытых естественных радиоактивных элементов был «радий» – испускающий лучи, излучающий. Образование его и других естественных радионуклидов протекает в процессе самопроизвольных превращений (распадов) нуклидов семейства урана и тория. В качестве примера приводим на рис. 1.6 цепочку многочисленных превращений радионуклидов семейства ²³⁸U, сопровождающиеся α- или β-излучениями и завершающиеся образованием стабильного нуклида свинца.

Наибольшую дозу облучения (50%) человек получает от радона-222 (²²²Rn) и его производных – представителей семейства ²³⁸U. (рис. 1.6). 14 % дозы создаётся g-лучами от земли и зданий, 12% - пищей и напитками, 10% - космическими лучами (внутреннее облучение за счёт космогенных радионуклидов: углерода-14 - ¹⁴C (12 мкЗв/год), берилия-7 - ⁷Ве (3 мкЗв /год), натрия–22 - ²²Na (0,2 мкЗв/год) и трития - ³H (0,01 мкЗв/год).

Внешняя поглощённая доза - доза, полученная человеком от источника, находящегося вне организма. Оно составляет почти 33% общей дозы облучения и создаётся потоком частиц или квантов от земли и зданий (главным образом калием-40), космическим излучением и антропогенными источниками. Жители Беларуси получают также дополнительное облучение за счёт чернобыльских радионуклидов. 90 % её создаётся цезием-137, 9% - стронцием-90 и 1% - изотопов плутония. После ядерного взрыва проникающая радиация создаётся потоком γ-лучей и нейтронов, испускаемых примерно в течение 10-25 секунд с момента ядерного взрыва.

Поток γ-лучей - фотонов (F) – отношение числа ионизирующих частиц (фотонов) dN, проходящих через данную поверхность за интервал времени dt, к этому интервалу: F= dN/dt. Eдиница измерения потока ионизирующих частиц – частица / с (одна частица в секунду).

Флюенс (перенос) ионизирующих частиц (фотонов) - отношение числа ионизирующих частиц (фотонов) dN, проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения dS этой сферы: Ф = dN/dS. Единица измерения флюенса частиц – частица / м² (одна частица на квадратный метр).

Плотность потока ионизирующих частиц (фотонов, φ) - отношение потока ионизирующих частиц (фотонов) dF проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения dS этой сферы: φ = dF/dS = dФ / dt = dN/dt•dS. Единица измерения плотности потока - частица/с^-1•м^-2 (одна частица или квант в секунду на квадратный метр).

При прохождении этих фотонов (гамма излучение) различают узкий и широкий пучок. Геометрия узкого пучка характеризуется тем, что детектор регистрирует только не рассеянное излучение источника. Геометрия, при которой детектор регистрирует не рассеянное и рассеянное излучение, называется широким пучком.

Удельная поглощённая доза (σ) – поглощённая доза, создаваемая излучением при флюенсе = одна частица на квадратный метр: σ = D / Ф.

Внутренняя поглощённая доза - доза, полученная каким-либо органом человеческого организма от источника радиации, находящегося внутри организма. Этим источником внутреннего облучения может быть радиоактивное вещество, которое проникает в организм через кишечник с пищей (пищевые продукты и вода), через легкие (при дыхании воздуха) и, в незначительной степени, через кожу, либо через раны или порезы, а также при медицинской радиоизотопной диагностике. Источники внутреннего облучения можно условно разделить на источники чернобыльского происхождения (в настоящее время большая их часть цезия-137, стронция-90 и плутония-239, 240 содержится в продуктах питания) и естественного происхождения. Последние создают почти 67% суммарной дозы облучения.

Источник внутреннего облучения остаётся в организме на определенное время, в течение которого и оказывает свое негативное воздействие. Длительность воздействия определяется периодом полураспада источника, попавшего в организм, и количеством времени, в течение которого он выводится из организма. Вывод радионуклидов из организма представляет собой весьма сложное явление. Его можно лишь приблизительно описать посредством концепции "биологического полувыведения" - времени, необходимого для выведения из организма половины радиоактивного материала.

Состояние радиационной обстановки на местности или в помещении характеризует экспозиционная доза. Экспозиционная доза (фотонного излучения) — количественная характеристика рентгеновского и γ-излучения с энергией до 3 МэВ, основанная на их ионизирующем действии и выраженная как отношение суммарного заряда всех ионов одного знака dQ, возникающих при полном торможении электронов и позитронов, которые были образованы фотонами в элементарном объеме воздуха, к массе dm воздуха в этом объеме: Х = dQ/dm. Представляет собой энергетическую характеристику излучения, оцениваемую по эффекту ионизации сухого атмосферного воздуха, и меру ионизационного действия фотонного излучения, определяемую по ионизации воздуха в условиях электронного равновесия.

Единицей измерения экспозиционной дозы в СИ является кулон на килограмм (Кл/кг). Широко распространена также внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген (Р) (названа в честь немецкого физика Вильгельма Конрада Рентгена, открывшего в 1895 г. рентгеновские лучи): один рентген (1 Р) – это такая доза фотонного излучения, под действием которой в 1 см³ сухого воздуха при нормальных условиях (0°С и 760 мм рт. ст.) образуются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.

Доза в 1 Р соответствует образованию 2,083•10⁹ пар ионов в 1 см³ воздуха (при 0° С и 760 мм рт. ст.), или 1,61•10¹² пар ионов в 1 г воздуха. Если учесть, что заряд электрона равен 1,6•10^-19 кулона, а масса 1 см³ воздуха = 1,29•10^-6 кг, то 1 Р составляет 2,57976•10^-4 Кл/кг. В свою очередь 1 Кл/кг = 3,876•10³ Р. На создание такого количества ионов необходимо затратить энергию, равную 0,114 эрг/см³ или 88 эрг/г, т. е., 88 эрг/г есть энергетический эквивалент рентгена.

Соотношения между единицами измерения экспозиционной и поглощенной дозами составляют: для воздуха 1 Р = 0,88 рад, для биологической ткани 1 Р = 0,93 рад, 1 рад равен в среднем 1,44 Р.

Мощность экспозиционной дозы – приращение экспозиционной дозы в единицу времени. Ее единица в системе СИ – ампер на килограмм (А/кг).

1 Р/с = 2,58•10^-4 А/кг.

В зоне аварии Чернобыльской атомной станции есть районы, где радиоактивность почвы достигает 1200 микрорентген в час. По величине экспозиционной дозы можно рассчитать и поглощённую дозу рентгеновского и γ-излучений в любом веществе. Для этого необходимо знать состав вещества и энергию фотонов излучения.

Следует помнить, что, согласно принятому ГОСТу, после 1 января 1990 г. не рекомендуется вообще пользоваться понятием экспозиционная доза и её мощность. Поэтому во время переходного периода эти величины следует указывать не в единицах СИ, а во внесистемных единицах – рентгенах и рентгенах в секунду (Р/с).

Различают как единовременное, так и постоянное(хроническое) радиационное воздействие. Единовременное воздействие возникает при чрезвычайных обстоятельствах, в частности, авариях и оценивается по поглощённой дозе. Постоянное же воздействие, которое может возникать в результате регулярных выбросов радиоактивности в воздух или воду или постоянного нахождения радионуклидов в окружающей среде, как правило, осуществляет длительное поражающее действие на человека. Такое воздействие радиация оказывает на людей, проживающих на загрязнённых радионуклидами землях после аварии на ЧАЭС. Для оценки указанных доз облучения используют такие понятия, как эквивалентная и эффективная эквивалентная дозы облучения.

Эквивалентная доза излучения - величина, используемая для оценки радиационной опасности хронического облучения человека различными видами ионизирующих излучений и определяемая суммой произведений поглощенных доз отдельных видов излучений на их коэффициенты качества. Можно сказать, что это средняя поглощенная доза излучения D в органе или ткани Т, умноженная на взвешивающий радиационный коэффициент W_R (или, как его ещё называют, коэффициент качества излучения – К, см. табл. 1.6) для биологической ткани стандартного состава (10,1% - водорода; 11,1% - углерода; 2,6% - азота; 76,2% - кислорода, по массе):

H _{T, R} = D W_R= Σ D_{T, R} W_R,

где R - индекс вида и энергии излучения.

Коэффициент качества излучения показывает, во сколько раз ожидаемый биологический эффект от исследуемого излучения больше, чем для излучения с линейной передачей энергии (ЛПЭ) ≤ 3,5 кэВ на 1мкм пути в воде. Для различных излучений взвешивающий радиационный коэффициент (W_R) устанавливается в соответствии с «Нормами радиационной безопасности - НРБ-2000» в зависимости от линейной передачи энергии (табл. 1.5):

Таблица 1.5

ЛПЭ, кэВ/мкм воды	≤ 3,5	7,0			≥ 175
WR

Линейная передача энергии – ЛПЭ (LET - Linear Energy Transfer) - интенсивность передачи энергии (и, следовательно, уровень поражения) в расчете на единицу пройденного пути. Например, α-частица относится к высокой ЛПЭ-радиации, тогда как фотоны и электроны - к низкой ЛПЭ-радиации.

Взвешивающий радиационный коэффициент W_R (коэффициент качества К) показывает во сколько раз радиационная опасность для определённого вида излучения выше, чем радиационная опасность для рентгеновского излучения при одинаковой поглощённой дозе в

Таблица 1.6

Взвешивающий радиационный коэффициент (W_R)

Вид и энергия излучения	Радиационный коэффициент WR
Фотоны всех энергий
Электроны и мюоны всех энергий
Нейтроны с энергией:
менее 10 кэВ
10-100 кэВ
более 100 кэВ до 2 МэВ
более 2 МэВ до 20 МэВ
более 20 МэВ
Протоны с энергией более 2 МэВ, кроме протонов отдачи
α-частицы, продукты деления, тяжелые ядра

тканях организма. Как видно из табл. 1.6, при одной и той же поглощенной дозе нейтронное и α-излучение вызывают, соответственно, в 2-12 и 20 раз больший поражающий эффект, чем фотонное излучение.

При облучении человека, возникают биологические эффекты, величина которых определяет степень радиационной опасности. Для любого вида излучения, наблюдаемые радиационные эффекты пропорциональны поглощённой энергии. Поэтому ранее эквивалентную дозу рассчитывали как произведение поглощённой дозы на коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ).

D_Э = D•К_ОБЭ

Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) - относительная способность различных типов излучений вызывать сходные биологические эффекты. В качестве эталонного излучения принято моноэнергетическое 200 кэВ рентгеновское излучение. Эффекты оцениваются как обратное отношение поглощенных доз для разных типов излучений, которые приводят к биологическому эффекту одинаковой выраженности. Из-за сложности его определения на практике применяется более простой параметр, именуемый взвешивающим коэффициентом для тканей и органов (W_T).

Единицей измерения эквивалентной дозы излучения в системе СИ является Зиверт (Зв), названный так по имени шведского радиобиолога Р. М. Зиверта. Она используется в радиационной безопасности для учета стохастических эффектов, возникающих при воздействии различных видов ионизирующих излучений (кратковременное или хроническое облучение любого органа и всего тела дозами ниже порогов детерминистских эффектов). Таким образом, эта единица учитывает неблагоприятные биологические последствия облучения в малых дозах.

Внесистемной единицей эквивалентной дозы является бэр (биологический эквивалент рада, ранее её определяли как биологический эквивалент рентгена). Считается, что это такая поглощенная доза излучения, которая вызывает тот же биологический эффект, что и 1 рад γ-излучения. (в английской транскрипции - Rem от Roentgen Equivalent of Man). Поскольку коэффициент качества β- и γ-излучений равен 1, то на местности, загрязненной радиоактивными веществами при внешнем облучении соотношения между единицами облучения следующее:

1 Зв = 1 Гр =100 рад =100 бэр =100 Р, или

1 Зв = 1 Гр; 1 бэр = 1 рад; 1 рад » 1 Р.

Между тем равенство 1 Зв = 100 бэр неверно. В самом деле, при экспозиционной дозе 1 Р в 1 см³ воздуха должно образовываться 2,083•10⁹ пар ионов при средней энергии на один акт ионизации (E_и) = 34 эВ. После пересчета на 1 г воздуха получается, что 1 Р является эквивалентом 0,114 эрг/см³ ≈ 87,7 эрг/г ≈ 0,877 рад. Таким образом, соотношение между поглощенной дозой излучения, выраженной в радах, и экспозиционной дозой фотонного излучения, выраженной в рентгенах, для воздуха имеет вид: 1 Р ≈ 0,877 рад. По-видимому, тот факт, что 1 Р практически эквивалентен 1 рад, позволял ранее многим авторам считать бэр эквивалентом рентгена, как это до 1963 г. беспрекословно считалось. Но с 1963 г. бэр определяют как биологический эквивалент рада, как этого и требует определение единицы эквивалентной дозы.

Мощность эквивалентной дозы – отношение приращения эквивалентной дозы за какой-то интервал времени. Она выражается в Зивертах в секунду (Зв/с). Поскольку время пребывания человека в поле излучения при допустимых уровнях измеряется, как правило, часами, предпочтительно выражать мощность эквивалентной дозы в микрозивертах в час (мкЗв/ч).

Удельная эквивалентная доза (h) – эквивалентная доза при флюенсе одна частица на квадратный метр: h = H / Ф.

Знание величины поглощённой дозы оказывается недостаточным для оценки степени радиационной опасности. В радиационной безопасности для интегрированной оценки возможного ущерба здоровью человека в условиях хронического облучения с учетом различного характера влияния облучения на разные органы введено понятие эффективной эквивалентной дозы.

Эффективная доза (эффективная эквивалентная доза, Н_E) или, как её ещё называют, приведенная эффективная доза, характеризует величину эффективной эквивалентной дозы облучения, получаемой человеком за определенный промежуток времени (как правило, за год). Величина дозы представляет сумму средних эквивалентных доз Н_T в различных органах или тканях, взвешенных с коэффициентами W_T = Н_E ⁼ ∑ W_T Н_T.

Приведенная эффективная доза измеряется в Зивертах (Зв, Sv), либо миллизивертах (мЗв, mSv) в год. Используется также и внесистемная единица – бэр. Например, полученная щитовидной железой эквивалентная доза в 20 бэр равна эффективной дозе в 0,6 бэр.

Для профессионалов – персонала, работающего с источниками радиации, величина эффективной дозы не должна превышать 1000 мЗв (1 Зв) за период трудовой деятельности (50 лет), а для населения за период жизни (70 лет) - 70 мЗв. От природных источников она не должна превышать 5 мЗв/год, а в производственных условиях мощность эффективной дозы γ-излучения не должна быть выше 2,5 мкЗв/ч.

Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов (W_T) – множители эффективной эквивалентной дозы в органах и тканях, используемые при радиационной защите для расчета эффективной эквивалентной дозы. Они приведены в «Нормах радиационной безопасности нашей республики – НРБ-2000» (табл. 1.7).

Таблица 1.7

Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов (W_T)

Органы	Взвешивающий коэффициент
Гонады	0,20
Красный костный мозг	0,12
Толстый кишечник	0,12
Легкие	0,12
Желудок	0,12
Грудная железа	0,05
Мочевой пузырь	0,05
Пищевод	0,05
Печень	0,05
Щитовидная железа	0,05
Кожа	0,01
Клетки костных поверхностей	0,01
Остальные органы (ткани)

Эти коэффициенты учитывают различную чувствительность отдельных органов и тканей при возникновении стохастических эффектов после радиоактивного воздействия.

Различают также дозы, приводящие к гибели животных в ранние и поздние сроки. Доза, вызывающая гибель 50% животных за 30 дней, называется летальная доза 30/50 или ЛД_30/50. Она составляет при однократном одностороннем рентгеновском или γ-облучениях для морской свинки 300 бэр, для кролика 1000 бэр. Минимальная абсолютно летальная (смертельная) доза – гибнет 100% облучённых (ЛД_30/100) - для человека при общем γ-облучении равна ~ 600 бэр. Эту дозу человек может получить как при внешнем, так и внутреннем облучении.