Дозиметрия

Дозиметрия возникла в результате необходимости количественной оценки действия ионизирующих излучений на вещество. Развитию дозиметрии способствовали исследования ионизирующих излучений, а также применение рентгеновского излучения в медицине[9]. В этом случае дозиметрические измерения играют особенно важную роль.

Ионизирующие излучения могут быть как смертельно опасными, так и полезными. В больших количествах они несут большую опасность для всего живого на Земле. Даже радиоволны высоких частот опасны для человека. Однако при умелом их применении они могут быть полезны как для диагностики, так и для терапии. В современной медицине точность передачи дозы данному объему тканей – одна из важнейших задач, которую решают физики и инженеры.

Основной причиной радиационных эффектов в веществе является поглощение энергии облучаемым объектом. Ее мерой в дозиметрии принята поглощенная доза. Поглощенная доза D– это энергия излучения E, поглощенная единицей массы облученного вещества:

. (16.2.1)

Внесистемная единица дозы излучения - рад. В системе СИ поглощенная доза измеряется в греях (Гр). 1 Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой веществу массой 1 кг передана энергия 1 Дж:

1 Гр = 1=100 рад. (16.2.2)

Кроме поглощенной дозы вводится понятие экспозиционной и эквивалентной дозы.

Экспозиционная доза излучения D_эксп представляет собой характеристику излучения фотонов и оценивается по числу зарядов одного знака, образующихся при облучении в единице массы воздуха:

. (16.2.3)

Эта величина представляет собой меру ионизации воздуха фотонами рентгеновского и γ- диапазона энергий.

Единицей измерения экспозиционной дозы излучения в СИ служит кулон на килограмм. На практике экспозиционную дозу чаще измеряют в рентгенах (Р). Один рентген (1 Р) равен 1 единице СГСЭ заряда, образующегося в 1 см³ воздуха при нормальных условиях:

1Р = 2.58∙10^-4 Кл/кг.

При такой дозе в 0.001293 г сухого воздуха образуется 2.08*10⁹ пар ионов.

Внесистемная единица 1 фэр (физический эквивалент рентгена) – доза любого ионизирующего излучения, при котором энергия, поглощенная в 1 г облучаемого вещества, равна потере энергии на ионизацию, создаваемую в 1 г воздуха дозой в 1 Р γ-лучей.

1 фэр = 1.61∙10¹² пар/г = 5.3∙10⁷МэВ

Различные виды излучения при прочих равных условиях вызывают разный биологический эффект, то есть степень поражения тканей. Для оценки биологического действия излучения вводится понятие эквивалентной дозы излучения. Она равна произведению поглощенной дозы на коэффициент качества излучения K, характеризующего относительную биологическую эффективность (ОБЭ) излучения:

. (3.6)

Эквивалентная доза учитывает поглощенную дозу и биологический эффект ионизирующего излучения. Понятие "эквивалентная доза" используется только для оценки радиационной опасности, кторой подвергается биологический объект под действием ионизирующего излучения. Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы какого-либо вида ионизирующего излучения является бэр (биологический эквивалент рентгена). Это доза, биологически эквивалентная дозе 1 Р рентгеновского излучения при энергии 200 кэВ. В системе единиц СИ он измеряется в единицах зивертах (Зв):

1 Зв=1 Гр=100 бэр.

Коэффициенты качества означают, во сколько раз эффективность биологического действия излучения данного вида больше, чем рентгеновского или γ-излучения, при одинаковой дозе излучения в тканях. Простыми словами, во сколько раз сильнее по сравнению с фотонами воздействует данное излучение на биологическую ткань.

Коэффициенты качества являются верхней оценкой относительной биологической эффективности. Обычно пользуются не значениями ОБЭ[10], а коэффициентами качества.

Значения коэффициентов качества для различных видов излучения приведены в таблице 5 приложения.

Для смешанного излучения эквивалентная доза равна:

, (3.7)
где K_i – коэффициент качества i-го излучения, поглощенная доза которого равна D_i.

В системе СИ установлена единица измерения эквивалентной дозы излучения зиверт (Зв). Эквивалентная доза 1 Зв соответствует поглощенной тканью дозе излучения, биологически эквивалентной дозе 1 Гр γ-излучения:

1 Зв =К*1 Гр.

Применяют также внесистемную единицу эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рентгена):

1 бэр = 10^-2 Зв. (3.8)

Изменение дозы в единицу времени называется мощностью дозы:

. (3.9)

В зависимости от типа дозы различают мощность поглощенной дозы, мощность эквивалентной дозы и мощность экспозиционной дозы. В системе Си мощность дозы излучения выражается в Гр/с, Зв/с, а для внесистемных единиц – рад/с, бэр/с. Единицей экспозиционной дозы является 1 А/кг или 1 Р/с во внесистемных единицах.

Активностью радиоактивного вещества называется число актов распадов в единицу времени. Единицей активности в системе СИ является беккерель. Единица измерения 1 Бк, равна активности изотопа, в котором в 1 с происходит 1 распад. Также активность может измеряться в кюри (1 Ки):

1 Ки = 3.7·10¹⁰ Бк.

Используемые в дозиметрии единицы приведены в таблице 4 приложения.

Контрольные вопросы к лекции №16:

1. Дайте определение понятиям ионизирующее излучение, ионизация атома, ионизационное торможение?

2. Что такое линейная тормозная способность вещества? Приведите примеры.

3. Приведите примеры излучений фотонов – неионизирующих и ионизирующих.

4. Приведите примеры тяжелых и легких заряженных частиц, ионизирующих вещество.

5. Расскажите, как происходит взаимодействие с веществом тяжелых заряженных частиц.

6. Напишите формулу Бете – Блоха и объясните ее смысл.

7. Чем отличается прохождение электронов через вещество от прохождения тяжелых заряженных частиц.

8. Объясните, что такое тормозное, синхротронное и черенковское излучения?

9. Какие Вы знаете механизмы взаимодействия фотонов с веществом?

10. В чем особенности взаимодействия рентгеновского излучения с веществом?

11. Перечислите виды нейтронов и механизмы их взаимодействия с веществом.

12. В чем особенности взаимодействия ионизирующих излучений с биологическими такнями?

13. Как устроен рентгеновский аппарат, используемый для флюорографии?

14. Чем отличается рентгенография от флюорографии?

15. Что такое гамма – камера?

16. Что Вы знаете о компьютерном томографе?

17. Как устроен рентгеновский аппарат? В чем его отличие от компьютерного томографа?

18. Назовите характеристики и понятия, используемые для описания рентгеновского излучения.

19. Объясните понятия экспозиционной и поглощенной дозы. В чем их различие?

20. Что означают и какие физические процессы измеряют в единицах бэр, фэр, ОБЭ?

[1] Поток частиц Ф в литературе часто называют флюенсом.

[2] Помимо этих видов существует черенковское излучение. Оно было открыто российским физиком П.А.Черенковым. Он, будучи аспирантом С.И.Вавилова, наблюдал движение космических частиц. Однажды он заметил, что частицы испускают голубой свет. Когда С.И.Вавилов, не с первого раза поверивший аспиранту, включился в анализ наблюдений, открытие подтвердилось. За него Черенков вместе с другими советскими физиками, объяснившими природу излучения, получил Нобелевскую премию. Второе предсказано также нашим физиком И.Гинзбургом. Однако в медицине эти излучения пока не используются.

[3] Поэтому этот вид радиационных потерь получил название синхротронного излучения.

[4] В 1921 году за объяснение фотоэффекта А.Эйнштейн получил Нобелевскую премию.

[5] Рентгеновские лучи были открыты В.Рентгеном в 1895 году, а в 1901 году он получил Нобелевскую премию.

[6] От описанного выше рентгеновского аппарата томограф отличается скоростью обработки данных, точностью получения изображения и возможностью получения срезов вдоль всего тела человека.

[7] Томография означает послойная запись. В 1979 году за разработку компьютерного рентгеновского томографа Г. Хаунсфилду и Маку – Кормаку была присуждена Нобелевская премия.

[8] Гантри – это устройство для вращения источника излучения или детектора вокруг тела человека.

[9] В настоящее время в мире в медицине действуют миллионы рентгеновских аппаратов.

[10] ОБЭ для разных типов частиц изменяется в зависимости от их энергии.

Дата добавления: 2014-01-07