ЛЕКЦИЯ №5. Дозы радиоактивного облучения

Основная физическая величина, характеризующая действие излучения на организм, находится в прямой зависимости от количества поглощенной энергии. Для измерения количества поглощенной энергии введено такое понятие, как доза излучения. Это величина энергии, поглощенной в единице объема (массы) облучаемого вещества.

Экспозиционная доза (Х). Измерить ионизацию непосредственно в глубине тканей живого организма трудно. В связи с этим для количественной характеристики рентгеновского и гамма-излучений, действующих на объект, определяют так называемую экспозиционную дозу, которая характеризует ионизирующую способность рентгеновских и гамма-лучей в воздухе.

Экспозиционную дозу определяют по ионизирующему действию излучения в определенной массе воздуха и только при значениях энергии рентгеновских и гамма-лучей в диапазоне от десятков килоэлектронвольт до 3 МэВ.

От экспозиционной дозы с помощью соответствующих коэффициентов переходят к дозе, поглощенной в объекте.

За единицу экспозиционной дозы в Международной системе единиц (СИ) принят кулон на килограмм [ Кл/кг ], т. е. такая интенсивность рентгеновских и гамма-лучей, при которой в 1 кг сухого воздуха образуются ионы, несущие заряд в один кулон электричества каждого знака.

На практике применяют внесистемную единицу – рентген (1 Р =2,58 · 10^–4 Кл/кг), принятую в 1928 г. Рентген [ Р ] – экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см ³ воздуха (0,001293 г сухого воздуха) при нормальных условиях (0 °С и 1013 ГПа) образуется 2,08·10⁹ пар ионов.

Поскольку на образование одной пары ионов в воздухе в среднем затрачивается 34 эВ, то энергетический эквивалент рентгена в 1 см ³ воздуха составляет 2,08 · 10⁹ · 34 = 7,08 · 10⁴ МэВ = 0,114 эрг, или в 1 г воздуха 88 эрг (0,114/0,001293 = 88 эрг).

Для установления соотношения между активностью радиоактивного препарата и экспозиционной дозой, создаваемой им, используют гамма-постоянную K_γ. Для точечного источника с активностью А [ мКи ] доза излучения Х [ P ], создаваемая за время t [ ч ], на расстоянии R [ см ] выражается формулой:

Х=K_γAt/R ².

Соответственно мощность экспозиционной дозы:

P_эксп=K_γA/R ²

Поглощенная доза ( D ). В начале 50-х годов стало очевидно, что единица рентген не может обеспечить решения всех метрологических и практических задач в радиологии. Это связано с тем, что при одной и той же энергии гамма-квантов и частиц в 1 г вещества, разного по химическому составу, поглощается различное количество энергии. Поэтому стала необходима универсальная (для любого вида ионизирующего излучения) единица, применяемая для определения физического эффекта облучения в любой среде, в частности в биологических тканях. Такой единицей стал рад – внесистемная международная единица поглощенной дозы, которая рекомендована Международным конгрессом радиологов в 1953 г. и получила широкое применение в практике.

Единица рад (rad – radiation absorbent dose) – поглощенная доза любого вида ионизирующего излучения, при которой в 1 г массы вещества поглощается энергия излучения, равная 100 эрг (1 рад = 100 эрг/г = 10^–2 Дж/кг).

За единицу поглощенной дозы в Международной системе единиц (СИ) принят джоуль на килограмм [ Дж/кг ], т. е. такая поглощенная доза, при которой в 1 кг массы облученного вещества поглощается 1 Дж энергии излучения. Этой единице присвоено собственное наименование грей [ Гр ], 1 Гр = 1 Дж/кг =100 рад.

Введение единиц рад и грей не исключает использование единицы измерения излучения в рентгенах, тем более что вся дозиметрическая аппаратура пока отградуирована в рентгенах. Единицей рентген пользуются для измерения поля излучения (или, как говорят радиологи, падающего излучения) – количественной характеристики источников квантового излучения.

Поскольку при одной и той же энергии гамма-квантов и частиц в 1 г биологической ткани, разной по химическому составу, поглощается различное количество энергии, поглощенную в тканях дозу измеряют в радах расчетным путем по формуле

D _рад= X·f,

где D _рад – поглощенная доза, рад; X – экспозиционная доза в той же точке, Р; f – переходный коэффициент, значение которого зависит от энергии излучения и от рода поглощающей ткани (атомного номера и плотности).

Эквивалентная доза (Н). Установлено, что биологическое действие одинаковых доз различного вида излучения на организм неодинаково. Это связано с удельной ионизацией излучения. Чем выше удельная ионизация, тем больше коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ), или взвешивающий коэффициент W_R. Коэффициент ОБЭ W_R показывает, во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем рентгеновского или гамма-излучения при одинаковой поглощенной дозе в тканях.

Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчете эквивалентной дозы (W_R) - используемые в радиационной защите множители поглощенной дозы, учитывающие относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов:

Фотоны любых энергий Электроны и мюоны любых энергий Нейтроны с энергией менее 10 кэВ от 10 кэВ до 100 кэВ от 100 кэВ до 2 МэВ от 2 МэВ до 20 МэВ более 20 МэВ Протоны с энергией более 2 МэВ, кроме протонов отдачи Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра

Рассчитывается эквивалентная доза путем умножения поглощенной дозы D в органе или ткани на соответствующий взвешивающий коэффициент w_R для данного вида излучения:

H = D·W_R.

При воздействии различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз от этих видов излучения:

.

В системе СИ за единицу измерения эквивалентной дозы принят зиверт [ Зв ]; 1 Зв = 1 Дж/кг W_R·. Внесистемная единица эквивалентной дозы – биологический эквивалент рентгена – бэр (1 Зв = 100 бэр). В практике используют дольные единицы: миллибэр (1 мбэр =1·10^–3 бэр), микробэр (1 мкбэр = 1·10^–6 бэр), нанобэр (1 нбэр = 1·10^–9 бэр).

Эффективная доза (Е ) – величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты:

E = Σ W_T · H_T,

где Н_Т - эквивалентная доза в органе или ткани Т, а W_T взвешивающий коэффициент для органа или ткани Т.

Единица измерения эффективной дозы – зиверт [ Зв ].

Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы (W_T) – множители эквивалентной дозы в органах и тканях, используемые в радиационной защите для учета различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации:

Гонады Костный мозг (красный) Толстый кишечник Легкие Желудок Мочевой пузырь Грудная железа Печень Пищевод Щитовидная железа Кожа Клетки костных поверхностей Остальное

0,20 0,12 0,12 0,12 0,12 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,01 0,01 0,05*

Из таблицы видно, что наиболее чувствительны к радиации гонады, костный мозг, легкие и желудочно-кишечный тракт. Это означает, что при облучении именно этих органов существует наибольшая вероятность наступления каких-либо последствий для организма – например, безплодия, лейкоза, всевозможных злокачественных опухолей и т.д.

Сумма всех коэффициентов W_T равна единице. То есть, при облучении всего тела будет наибольшее поражение организма и эффективная доза будет численно равна эквивалентной.

При получении человеком в короткий срок дозы более одного Зиверта у него уже могут наблюдаться признаки лучевой болезни.

Рассмотренные выше понятия дозы описывают только индивидуально получаемые дозы. При необходимости изучения эффектов действия радиации на большую группу людей вводится понятие коллективной эффективной эквивалентной дозы, которая равна сумме индивидуальных эффективных эквивалентных доз и измеряется в человеко-зивертах [чел-Зв].

Поскольку многие, особенно естественные, радионуклиды распадаются очень медленно и будут действовать на население в отдаленном будущем, коллективную эффективную эквивалентную дозу от подобных источников радиации будут получать еще многие поколения людей, живущих на планете. В связи с этим было введено понятие ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозы, которая позволяет прогнозировать поражение группы людей от действия постоянных источников радиации.

Рассмотренные дозиметрические понятия на первый взгляд могут показаться слишком сложными, но они представляют собой логически последовательную систему, которая позволяет рассчитывать согласующиеся или сопоставимые друг с другом дозы облучения.

Понятие о микродозиметрии. Как только стало ясно, что в радиобиологическом эффекте существенную роль играет поражение таких микроструктур, как клетка и даже отдельные ее части, сразу возникла необходимость в исследовании микроскопического распределения поглощенной энергии. Это предопределило развитие самостоятельной научной дисциплины – микродозиметрии. Микродозиметрия – область физики, занимающаяся исследованием процесса передачи и распределения энергии ионизирующего излучения в веществе в пределах микрообъемов (клетки). Следовательно, микродозиметрия проводит исследования, связанные с распределением энергии на клеточном и субклеточном уровнях, когда усредненные макроскопические величины (экспозиционная и поглощенная дозы, линейная передача энергии и др.), характеризующие поле излучения и взаимодействие излучения с веществом, становятся неприемлемыми, так как размер микроструктур соизмерим с размерами треков ионизирующих частиц.

Пример: Рассчитать поглощенную и эквивалентную дозы от смешанного источника излучения, если доза от гамма-излучения 1 рад, от бета-излучения – 10 рад, от альфа-излучения – 1 рад и от быстрых нейтронов – 1 рад.

Решение:

D = ∑D_i= 1+10+1+1=13 рад

H = ∑D_iK_i= 1∙1+10∙1+1∙10+1∙10=31 бэр

Основные пределы доз (НРБ-99)

Нормируемые величины*	Пределы доз
Персонал (группа А)**	Население
Эффективная доза	20 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв в год	1 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв в год
Эквивалентная доза за год в хрусталике глаза*** коже**** кистях и стопах	150м3в 500 мЗв 500 мЗв	15м3в 50м3в 50м3в

При мгновенном воздействии дозы поражение более сильно, чем при долговременном воздействии той же дозы.

Острые поражения

Доза облучения, бэр	Орган облучения	Повреждения
≤25	Все тело	жить можно
~50	Все тело	Временное снижение количества лимфоцитов
~100	Все тело	Тошнота, рвота, вялость, знач. снижение лимфоцитов
~150	Все тело	Знач. состояние похмелья
~200	Все тело	Значительное снижение лимфы на длит. время (смертность 5%)
~400	Все тело	Смертность 50% за 30 суток
~600	Все тело	90% за 14 суток
>700	Все тело	100% (без лечения)
300-500	Кожа	Выпадение волос, ногтей пигментация, шелушение
300-500	Гонады	Бесплодие на всю жизнь

Контрольные вопросы

1. Что характеризует экспозиционная доза?

2. Почему ввели понятие поглощенной дозы?

3. Одинаково ли биологическое действие различных видов излучения при одинаковой поглощенной дозе?

4. Возможно ли проявление действия радиации на организм через несколько лет?

5. Возможно ли поражение всего тела человека или отдельных его органов при облучении какого-либо одного органа?

6. Что больше 1 Рентген или 1 Зиверт?

Дата добавления: 2014-01-05