Файл: ЧС и радбез. Курс лекций 2014.pdf

е– Электро

-квант

-квант

Позитрон е+ Электрон е– -квант

Рис. 15. Образование электронно-позитронной пары

Вотличие от альфа- и бета-частиц, непосредственно ионизирующих атомы, гамма-кванты во всех случаях, взаимодействуя с веществом, вызывают появление в нем свободных вторичных электронов и позитронов, которые производят ионизацию.

Для гамма-излучения характерна очень низкая вероятность взаимодействия с веществом. Это означает, что фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование электронно-позитронных пар при прохождении гамма-излучения через вещество проходят достаточно редко. Ионизирующая способность гамма-квантов при одинаковой энергии гамма-квантов и заряженных частиц и при одинаковой взаимодействующей среде в тысячи раз меньше, чем ионизирующая способность заряженных частиц.

Ввоздухе линейная плотность ионизации гамма-квантов составляет 2–3 пары ионов на 1 см пути. Проникающая способность гаммаквантов в воздухе сотни метров.

Ослабление (поглощение) интенсивности гамма-излучения в веществе определяется по закону Бугера:

где I – интенсивность гамма-излучения на глубине R в веществе; I0 –

интенсивность гамма-излучения при входе в вещество; – линейный коэффициент ослабления.

Коэффициент состоит из коэффициента поглощения при фотоэффекте ф, коэффициента ослабления при комптон-эффекте к и коэффициента поглощения при образовании электронно-позитронных пар пар:

74

Коэффициент зависит не только от энергии гамма-квантов, но и от плотности и среднего атомного номера вещества среды. Поэтому поглощение гамма-квантов веществом удобнее выражать через массовый коэффициент ослабления m = / . Тогда получим

4.6. Основные дозиметрические величины и единицы их измерения. Связь между дозами

Действие ионизирующих излучений на вещество проявляется в ионизации и возбуждении атомов и молекул, входящих в состав вещества. Количественной мерой воздействия излучений на вещество является доза излучения. Доза излучения – это количество энергии ионизирующего излучения, поглощенного единицей массы облучаемой среды. Различают поглощенную, экспозиционную и эквивалентную дозы излучения.

4.6.1. Поглощенная доза излучения. Поглощенной дозой излу-

чения (D) называется количество энергии любого вида ионизирующего излучения, поглощенное единицей массы любого вещества:

где dЕ – поглощенная энергия излучения; dm – масса облучаемого вещества.

Эта величина позволяет дать количественную оценку действия различных видов излучения в различных средах. Она не зависит от объема и массы облучаемого вещества и определяется главным образом ионизирующей способностью и энергией излучений, свойствами поглощающего вещества и продолжительностью облучения.

При определении дозы в биологическом объекте нужно учитывать внешнее и внутреннее облучение, так как радиоактивные вещества могут попасть в организм с пищей, водой и вдыхаемым воздухом. В этом случае облучение внутренних органов происходит не только гамма-, но также альфа- и бета-излучением.

Поглощенная доза является количественной мерой воздействия ионизирующего излучения на вещество. За единицу измерения поглощенной дозы принят грей (Гр) – поглощенная доза излучения, соответствующая энергии 1 джоуль ионизирующего излучения любого вида, переданной облученному веществу массой 1 кг: 1 Гр = 1 Дж/кг.

75

На практике применяется внесистемная единица – рад (по первым буквам англ. radiation absorbet dose). Доза в 1 рад означает, что в каждом грамме вещества, подвергшегося облучению, поглощено 100 эрг энергии:

1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр; 1 Гр = 100 рад (1 эрг = 10 Дж).

Поглощенная доза излучения зависит от свойств излучения и поглощающей среды. Для заряженных частиц (альфа-, бета-частиц, протонов) небольших энергий, быстрых нейтронов и некоторых других излучений, когда основными процессами их взаимодействия с веществом является непосредственная ионизация и возбуждение, поглощенная доза служит однозначной характеристикой ионизирующего излучения по его взаимодействию со средой. Это связано с тем, что между параметрами, характеризующими ионизирующую способность излучения в среде, и поглощенной дозой можно установить адекватные прямые зависимости.

Для рентгеновского и гамма-излучений таких зависимостей не наблюдается, т. к. эти виды излучений косвенно ионизирующие. Следовательно, поглощенная доза не может служить характеристикой этих излучений по их воздействию на среду.

4.6.2. Экспозиционная доза излучения используется для харак-

теристики рентгеновского и гамма-излучений по эффекту ионизации. Экспозиционная доза выражает энергию фотонного излучения, преобразованную в кинетическую энергию вторичных электронов, производящих ионизацию в единице массы атмосферного воздуха.

Экспозиционной дозой (Х) называется количественная характеристика излучений, основанная на их ионизирующем действии в сухом атмосферном воздухе и выраженная отношением суммарного электрического заряда ионов одного знака, образованных излучением, поглощенным в некоторой массе воздуха, к этой массе:

где dQ – количество зарядов, образованных гамма-излучением в воздухе массой dm.

За единицу экспозиционной дозы рентгеновского и гаммаизлучений принят кулон на килограмм (Кл/кг).

Внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р). Рентген – экспозиционная доза фотонного излучения, при которой в 1 см3

76

воздуха при нормальных условиях (t = 0 С и давление 101 кПа) образуется 2,08 109 пар ионов, заряд которых каждого знака равен

3,34 10–10 Кл.

Поскольку масса 1 см3 воздуха весит 1,293 · 10–6 кг, то

l Р = 3,34 · 10–10/1,293 · 10-6 = 2,58 · 10–4 Кл/кг; 1 Кл/кг = 3876 Р.

Помимо рентгена используются производные от него единицы: миллирентген (1 мР = 10–3 Р) и микрорентген (1 мкР = 10–6 Р).

Соотношение между экспозиционной дозой и поглощенной дозой, выраженной для воздуха, имеет вид:

D= 0,877X;

1Р = 0,877 рад;

1рад = 1,14 Р; 1 Кл/кг = 34 Гр.

Для других веществ коэффициент пропорциональности между D и Х будет иным. Он зависит от плотности и атомных номеров элементов, входящих в состав этих веществ.

Для биологических тканей соотношение между поглощенной и экспозиционной дозой составляет

1 P = 0,965 рад;

1 Кл/кг = 37,2 Гр.

Поглощенная доза в любом веществе, в том числе и в биологической ткани, может быть определена по формуле

где л – линейные коэффициенты поглощения гамма-излучений в веществе и воздухе соответственно; – плотность вещества и воздуха соответственно; Х – экспозиционная доза излучения в воздухе.

4.6.3. Эквивалентная доза излучения (Н) служит для характери-

стики биологического действия различных видов ионизирующих излучений. Альфа-, бета- и гамма-излучения даже при одинаковой поглощенной дозе (D) оказывают разное поражающее действие из-за различной ионизирующей способности.

Различие в величине радиационного воздействия можно учесть, приписав каждому виду излучений свой коэффициент качества (К).

77

Коэффициент качества (К) характеризует степень разрушительного действия на биологический объект и показывает, во сколько раз данный вид излучения по биологической эффективности больше, чем рентгеновское излучение при одинаковой поглощенной дозе.

Рентгеновское и гамма-излучение вызывают ионизацию посредством вторичных электронов такую же ЛПИ, что и бета-излучения, поэтому коэффициент качества для них принят равным 1; для нейтронов, протонов и альфа-частиц коэффициенты приведены в табл. 5.

Таблица 5

Значения коэффициента качества для различных излучений и разных интервалов энергий их частиц

Считается, что поглощенная доза от альфа-излучения производит такое же разрушительное действие в теле человека, как и в 20 раз большая доза гамма-квантов или электронов, т. е. альфа-излучение в 20 раз опаснее, чем бета- и гамма-излучения.

Для определения степени поражающего действия ионизирующих излучений на человека с учетом взвешивающего коэффициента (коэффициента качества) используется эквивалентная доза Н:

где WR – взвешивающий коэффициент излучения (коэффициент качества); D – поглощенная доза в органе или ткани.

В качестве системной единицы эквивалентной дозы используется зиверт (Зв). Зиверт – единица эквивалентной дозы в биологической ткани, которая создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр рентгеновского или гамма-излучения.

Внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рада).

1 бэр = 0,01 Зв; 1 3в = 100 бэр.

78

Бэр – доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же биологическое действие, как и доза рентгеновских или гам- ма-лучей в 1 рад.

Эквивалентная доза рассчитывается для средней ткани человеческого тела. Органы и биологические ткани имеют разную радиочувствительность. В первую очередь поражаются половые железы, красный костный мозг. Учет радиочувствительности производят с помощью взвешивающих коэффициентов для тканей и органов.

Взвешивающий коэффициент ткани ( т) или коэффициент ра-

диационного риска – риск облучения какого-то органа или ткани в сравнении с риском облучения всего тела. Если для всего организма в целом т = 1, то каждый орган имеет свой взвешивающий коэффициент (табл. 6).

Умножив эквивалентную дозу на соответствующие взвешивающие коэффициенты и просуммировав по всему организму, органу или группе органов, получим эффективную дозу, отражающую суммарный эффект облучения:

i 1

где т – взвешивающий коэффициент для органа или ткани; Н – эквивалентная доза излучения, поглощенная этим органом, Зв.

Для оценки последствий облучения человека в радиационной безопасности используется эффективная годовая доза, которая учитывает общее (суммарное) облучение за календарный год и включает дозу внешнего облучения и дозу внутреннего облучения радионуклидами,

79