Лекція № 5. Дози радіоактивного опромінення
Основна фізична величина, що характеризує дію випромінювання на організм, перебуває у прямій залежності від кількості поглиненої енергії. Для вимірювання кількості поглиненої енергії введено таке поняття, як доза випромінювання. Це величина енергії, поглиненої одиницею об'єму (маси) речовини, що опромінюється.
Експозиційна доза (Х). Виміряти іонізацію безпосередньо в глибині тканин живого організму важко. У зв'язку з цим для кількісної характеристики рентгенівського і гамма-випромінювань, що діють на об'єкт, визначають так звану експозиційну дозу, яка характеризує іонізуючу здатність рентгенівських і гамма-променів у повітрі.
Експозиційну дозу визначають по іонізуючоve наслідку випромінювання в певній масі повітря при значеннях енергії рентгенівських і гамма-променів у діапазоні від десятків кілоелектронвольт до 3 МеВ.
Від експозиційної дози з допомогою відповідних коефіцієнтів переходять до дози, поглиненої в об'єкті.
За одиницю експозиційної дози в Міжнародній системі одиниць (СІ) прийнятий кулон на кілограм [Кл / кг], тобто така інтенсивність рентгенівських і гамма-променів, при якій в 1 кг сухого повітря утворюються іони, що несуть заряд в один кулон.
На практиці застосовують позасистемну одиницю - рентген (1 Р = 2,58 • 10-4 Кл / кг), прийняту в 1928 р. Рентген [Р] – Експозиційна доза рентгенівського або гамма-випромінювання, при якій в 1 см3 повітря (0,001293 г сухого повітря) при нормальних умовах (0 ° С і 1013 ГПа) утворюється 2,08 • 109 пар іонів.
Оскільки на утворення однієї пари іонів в повітрі в середньому витрачається 34 еВ, то енергетичний еквівалент рентгена в 1 см3 повітря становить 2,08 • 109 • 34 = 7,08 • 104 МеВ = 0,114 ерг, або в 1 г повітря 88 ерг (0114 / 0,001293 = 88 ерг).
Для встановлення співвідношення між активністю радіоактивного препарату і експозиційної дозою, створюваної ним, використовують гамма-постійну Kγ. Для точкового джерела з активністю А [мКu] доза випромінювання Х [P], створювана за час t [ч], на відстані R [см] виражається формулою:
Х=KγAt/R2.
Відповідно потужність експозиційної дози:
Pэксп=KγA/R2
Поглинена доза (D). На початку 50-х років стало очевидно, що одиниця рентген не може забезпечити вирішення всіх метрологічних і практичних задач в радіології. Це пов'язано з тим, що при одній і тій же енергії гамма-квантів і часток в 1 г речовини, різного за хімічним складом, поглинається різнa кількість енергії. Тому стала необхідна універсальна (для любого виду іонізуючого випромінювання) одиниця, що застосовується для визначення фізичного ефекту опромінення в будь-якому середовищі, і, зокрема, в біологічних тканинах. Такою одиницею став радий - позасистемна міжнародна одиниця поглиненої дози, яку рекомендовано Міжнародним конгресом радіологів в 1953 р. і отримала широке застосування в практиці.
Одиниця рад (рад - радіаційна абсорбент доза) - поглинена доза будь-якого виду іонізуючого випромінювання, при якій в 1 г маси речовини поглинається енергія випромінювання, що дорівнює 100 ерг (1 рад = 100 ерг / г = 10-2 Дж / кг).
За одиницю поглиненої дози в Міжнародній системі оди-ниць (СІ) прийнятий джоуль на кілограм [Дж / кг], тобто така поглинена доза, при якій в 1 кг маси опроміненої речовини поглинається 1 Дж енергії випромінювання. Цією одиниці присвоєно власне найменування грей [Гр], 1 Гр = 1 Дж / кг = 100 радій.
Введення одиниць радий і грей не виключає використання одини ¬ ци вимірювання випромінювання в рентгенах, тим більше що вся дозиметри ¬ чна апаратура поки відградуйована в рентгенах. Одиницею рентген користуються для вимірювання поля випромінювання - кількісної характеристики джерел квантового випромінювання.
Оскільки при одній і тій же енергії гамма-квантів і часток в 1 г біологічної тканини, різної за хімічним складом, поглинається різна кількість енергії, поглинену в тканинах дозу виміряють в радах розрахунковим шляхом за формулою
Dрад=X·f,
де Dрад - поглинена доза, рад, X - експозиційна доза в тій же точці, Р, F - перехідний коефіцієнт, значення якого залежить від енергії випромінювання і від роду поглинаючої тканини (атомного номера і щільності).
Еквівалентна доза (Н). Встановлено, що біологічна дія однакових доз різного виду випромінювання на організм неоднаково. Це пов'язано з питомою іонізацією випромінювання. Чим вище питома іонізація, тим більше коефіцієнт відносної біологічної ефективності (ВБЕ), або ваговий коефіцієнт WR. Коефіцієнт ОБЕ WR показує, у скільки разів ефективність біологічної дії даного виду випромінювання більше, ніж рентгенівського або гамма-випромінювання при однаковій поглиненій дозі в тканинах.
Зважувальні коефіцієнти для окремих видів випромінювання при розрахунку еквівалентної дози (WR) - використовуються в радіаційного захисту множники поглиненої дози, що враховують відносну ефективність різних видів випромінювання в індукуванні біологічних ефектів:
Фотони будь-яких енергій
Електрони і мюони будь-яких енергій
Нейтрони з енергією менше 10 кеВ
від 10 кеВ до 100 кеВ
від 100 кеВ до 2 МеВ
від 2 МеВ до 20 МеВ
більше 20 МеВ
Протони з енергією більше 2 МеВ, крім протонів віддачі
Альфа-частинки, осколки ділення, важкі ядра
|
1
1
5
10
20
10
5
5
20
|
Розраховується еквівалентна доза шляхом множення поглиненої дози D в органі чи тканині на відповідний ваговий коефіцієнт WR для даного виду випромінювання:
H = D·WR.
При впливі різних видів випромінювання з різними вагових коефіцієнтів еквівалентна доза визначається як сума еквівалентних доз від цих видів випромінювання:
 .
В системі СІ за одиницю вимірювання еквівалентної дози прийнятий зіверт [Зв], 1 Зв = 1 Дж / кг • WR. Позасистемна одиниця еквівалентної дози - біологічний еквівалент рентгена - бер (1 Зв = 100 бер). У практиці використовують частинні одиниці: мілібер (1 мбер = 1 • 10-3 бер), мікробер (1 мкбер = 1 • 10-6 бер), нанобер (1 нбер = 1 • 10-9 бер).
Ефективна доза (Е) - величина, використовувана як міра ризику виникнення віддалених наслідків опромінення всього тіла людини та окремих його органів і тканин з урахуванням їх радіочутливості. Вона представляє суму впливів еквівалентній дози в органах і тканинах на відповідні зважувальні коефіцієнти:
E= ΣWT·HT ,
де НТ - еквівалентна доза в органі чи тканині Т, а WT ваговий коефіцієнт для органу або тканини Т.
Одиниця виміру ефективної дози - зіверт [Зв].
Зважувальні коефіцієнти для тканин і органів при розрахунку ефективної дози (WT) - множники еквівалентної дози в органах і тканинах, що використовуються в радіаційного захисту для обліку різної чутливості різних органів і тканин у виникненні стохастичних ефектів радіації:
Гонади(статеві залози)
Кістковий мозок (червоний)
Товстий кишечник
Легені
Шлунок
Сечовий міхур
Грудна залоза
Печінка
Стравохід
Щитовидна залоза
Шкіра
Клітини кісткових поверхонь
Решта
|
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*
|
З таблиці видно, що найбільш чутливі до радіації гонади, кістковий мозок, легені та шлунково-кишковий тракт. Це означає, що при опроміненні саме цих органів існує найбільша ймовірність настання будь-яких наслідків для організму - наприклад, безплодія, лейкозу, всіляких злоякісних пухлин і т.д.
Сума всіх коефіцієнтів WT дорівнює одиниці. Тобто, при опроміненні всього тіла буде найбільше ураження організму і ефективна доза буде чисельно дорівнює еквівалентній.
При отриманні людиною в короткий термін дози більше одного Зіверт в нього вже можуть спостерігатися ознаки променевої хвороби.
Розглянуті вище поняття дози описують лише індивідуально отримані дози. При необхідності вивчення ефектів дії радіації на велику групу людей вводиться поняття колективної ефективної еквівалентної дози, яка дорівнює сумі індивідуальних ефективних еквівалентних доз і вимірюється в людино-зіверт [чол-Зв].
Оскільки багато хто, особливо природні, радіонукліди розпадаються дуже повільно і будуть діяти на населення у віддаленому майбутньому, колективну ефективну еквівалентну дозу від подібних джерел радіації будуть отримувати ще багато поколінь людей, що живуть на планеті. У зв'язку з цим було введено поняття очікуваної (повної) колективної ефективної еквівалентної дози, яка дозволяє прогнозувати враження групи людей від дії постійних джерел радіації.
Розглянуті дозиметричні поняття на перший погляд можуть здатися занадто складними, але вони являють собою логічно послідовну систему, яка дозволяє розраховувати узгоджуються чи зіставні один з одним дози опромінення.
Поняття мікродозиметрії. Як тільки стало ясно, що в радіобіологічному ефекті істотну роль відіграє ураження таких мікроструктур, як клітина і навіть окремі її частини, відразу виникла необхідність у дослідженні мікроскопічного розподілу поглиненої енергії. Це зумовило розвиток самостійної наукової дисципліни - мікродозиметрії. Мікродозиметрія - область фізики, що займається дослідженням процесу передачі і розподілу енергії іонізуючого випромінювання в речовині в межах мікрооб'ємів (клітини). Отже, мікродозиметрія проводить дослідження, пов'язані з розподілом енергії на клітинному і субклітинному рівнях, при усереднених макроскопічні величини (експозиційна і поглинена дози, лінійна передача енергії тощо), характеризують поле при отриманні та взаємодії випромінювання з речовиною, стають неприйнятними, оскільки розмір мікроструктур порівняємо з розмірами треків іонізуючих частинок.
Приклад: Розрахувати поглинену та еквівалентну дози від змішаного джерела випромінювання, якщо доза від гамма-випромінювання 1 рад, від бета-випромінювання - 10 радий, від альфа-випромінювання - 1 рад і від швидких нейтронів - 1 рад.
Рішення:
D=∑Di=1+10+1+1=13 рад
H=∑DiKi=1∙1+10∙1+1∙10+1∙10=31 бэр
Основні межі доз (НРБ-99)
Нормовані величини *
|
Межі доз
|
Персонал
(група А)**
|
Населення
|
Ефективна доза
|
20 мЗв на рік у середньому за будь-які послідовні 5 років, але не більше 50 мЗв на рік
|
1 мЗв на рік у середньому за будь-які послідовні 5 років, але не більше 5 мЗв на рік
|
Еквівалентна доза за рік в кришталику ока *** шкірі ****
кистях і стопах
|
150м3в
500 мЗв
500 мЗв
|
15м3в
50м3в
50м3в
|
При миттєвому впливі дози ураження більш сильно, ніж при довготривалому впливі тієї ж дози.
Гострі ураження
Доза опромінення, бер
|
Орган опромінення
|
Пошкодження
|
≤25
|
Все тіло
|
Жити можна
|
~50
|
Все тіло
|
Тимчасове зниження кількості лімфоцитів
|
~100
|
Все тіло
|
Нудота, блювота, млявість, знач. зниження лімфоцитів
|
~150
|
Все тіло
|
Знач. стан похмілля
|
~200
|
Все тіло
|
Значне зниження лімфи на трив. час (смертність 5%)
|
~400
|
Все тіло
|
Смертність 50% за 30 діб
|
~600
|
Все тіло
|
90% за 14 діб
|
>700
|
Все тіло
|
100% (без лікування)
|
300-500
|
Шкіра
|
Випадання волосся, нігтів пігментація, лущення
|
300-500
|
Гонади
|
Безпліддя на все життя
|
Контрольні питання
1. Що характеризує експозиційна доза?
2. Чому ввели поняття поглиненої дози?
3. Чи однаково біологічну дію різних видів випромінювання при однаковій поглиненої дози?
4. Чи можливо прояв дії радіації на організм через кілька років?
5. Чи можливо поразка всього тіла людини або окремих його органів при опроміненні якогось одного органу?
6. Що більше 1 Рентген або 1 Зіверт?
Поділіться з Вашими друзьями: |
