Реферат
«Дозиметрия:эквивалент поглощения, единицы измерения и характеристика доз»
Выполнил студент
Москва 2009
Содержание
Понятие дозиметрии
Дозы и их характеристики, эквивалент поглощения
Единицы измерений физических величин
Литература
Понятиедозиметрии
Дозиметрия, область прикладной физики, в которой изучаютсяфизические величины, характеризующие действие ионизирующих излучении на объектыживой и неживой природы, в частности дозы излучения, а также методы и приборыдля измерения этих величин.
Развитие Д. первоначальноопределялось необходимостью защиты человека от ионизирующих излучений. Вскорепосле открытия рентгеновских лучей были замечены биологические эффекты,возникающие при облучении человека и животных. Появилась необходимость вколичественной оценке степени радиационной опасности. В качестве основногоколичественного критерия была принята экспозиционная доза, измеряемая врентгенах и определяемая по величине ионизации воздуха. Большое значение вразвитии рентгенометрии имели работы советских учёных (П. Н. Лукирского, В. М.Дукельского, Д. Н. Наследова, К. К. Аглинцева, И. В. Поройкова).
С открытием радия былообнаружено, что - и -излучения радиоактивных веществвызывают биологические эффекты, похожие на те, которые вызываются рентгеновскимизлучением. При добыче, обработке и применении радиоактивных препаратоввозникает опасность попадания радиоактивных веществ внутрь организма. Развилисьметоды измерения активности радиоактивных источников (число распадов в сек),являющиеся основой радиометрии.
Разработка истроительство ядерных реакторов и ускорителей заряженных частиц, развитиеядерной энергетики и массовое производство радиоактивных изотопов привели кбольшому разнообразию видов ионизирующих излучений и к созданию многообразныхдозиметрических приборов (дозиметров).
Исследованиябиологического действия ионизирующих излучений на клеточном и молекулярномуровнях вызвали развитие микродозиметрии, исследующей передачу энергииизлучения микроструктурам вещества.
Дозы и иххарактеристики, эквивалент поглощения
Доза (от греч. dosis — доля, порция)ионизирующего излучения, величина, используемая для оценки воздействия излученияна любые вещества и живые организмы. В зависимости от особенностей излучения ихарактера его воздействия рассматривают поглощенную, эквивалентную иэкспозиционную дозы.
Поглощенная доза Dпогл — отношение энергии излучения, поглощенной веществом, к массе вещества. Доза ионизирующего излучения, энергия ионизирующегоизлучения, поглощённая в единице массы облучаемого вещества. В этом смысле дозаизлучения называется также поглощённой дозой (Dп). Поглощённаяэнергия расходуется на нагрев вещества, а также на его химические и физическиепревращения. Величина дозы зависит от вида излучения (рентгеновское излучение,поток нейтронов и т.п.), энергии его частиц, плотности их потока и составаоблучаемого вещества. При прочих равных условиях доза тем больше, чем большевремя облучения. Таким образом, доза накапливается со временем. Доза,отнесённая к единице времени, называется мощностью дозы.
Зависимость величины дозыот энергии частиц, плотности их потока и состава облучаемого вещества различнадля разных видов излучения. Например, для рентгеновского и -излучений доза зависит отатомного номера Z элементов, входящих в состав вещества; характер этойзависимости определяется энергией фотонов hv (h — Планка постоянная, v —частота электромагнитных колебаний). Для этих видов излучений доза в тяжёлыхвеществах больше, чем в лёгких (при одинаковых условиях облучения. Нейтронывзаимодействуют с ядрами атомов. Характер этого взаимодействия существеннозависит от энергии нейтронов. Если происходят упругие соударения нейтронов сядрами, то средняя величина энергии, переданной ядру в одном актевзаимодействия, оказывается большей для лёгких ядер. В этом случае (приодинаковых условиях облучения) поглощённая доза в лёгком веществе будет выше,чем в тяжёлом. Другие виды ионизирующих излучений имеют свои особенностивзаимодействия с веществом, которые определяют зависимость доза от энергииизлучения и состава вещества. Поглощённая доза в системе единиц СИ измеряется вдж/кг. Широко распространена внесистемная единица рад: 1 рад = 10-2дж/кг= 100 эрг/г. Мощность дозы измеряется в рад/сек, рад/ч и т.п.
Эквивалентная доза Dэкв= KDпогл, где К — так называемый коэффициент качества излучения(безразмерная величина). Единица Dэкв в СИ — зиверт (Зв);внесистемная единица — бэр (1 бэр = 102 Зв). Для К напрактике обычно принимают следующие усредненные значения: 1 — длямоноэнергетических электронов, позитронов, -частиц, -квантов ирентгеновского излучения; 3 — для нейтронов с энергией
Экспозиционная дозаDэкс — мера ионизации воздуха под действием рентгеновского и -излучений — измеряетсяколичеством образованных зарядов. Единицей экспозиционной дозы в системе СИявляется к/кг. Экспозиционная доза в 1 к/кг означает, что суммарный заряд всехионов одного знака, образованных в 1 кг воздуха, равен одному кулону. Широкораспространена внесистемная единица экспозиционной дозы — рентген: 1 р =2,5797610-4 к/кг, что соответствует образованию 2,08 109пар ионов в 1 см3 воздуха (при О°С и 760 мм рт. ст.). На создание такого количества ионов необходимо затратить энергию, равную 0,114эрг/см3 или 88 эрг/г. Таким образом, 88 эрг/г есть энергетическийэквивалент рентгена. По величине экспозиционной дозы можно рассчитатьпоглощённую дозу рентгеновского и -излученийв любом веществе. Для этого необходимо знать состав вещества и энергию фотоновизлучения.
При облучении живыхорганизмов возникают биологические эффекты, величина которых определяет степеньрадиационной опасности. Для данного вида излучения наблюдаемые радиационныеэффекты во многих случаях пропорциональны поглощённой энергии. Однако при однойи той же поглощённой дозе в тканях организма биологический эффект оказываетсяразличным для разных видов излучения. Следовательно, знание величины поглощённойдозы оказывается недостаточным для оценки степени радиационной опасности.Принято сравнивать биологические эффекты, вызываемые любыми ионизирующимиизлучениями, с биологическими эффектами, вызываемыми рентгеновским и -излучениями. Коэффициент, показывающийво сколько раз радиационная опасность для данного вида излучения выше, чемрадиационная опасность для рентгеновского излучения при одинаковой поглощённойдозе в тканях организма, называется коэффициентом качества К. Врадиобиологических исследованиях для сравнения радиационных эффектов пользуютсяпонятием относительной биологической эффективности. Для рентгеновского и -излучений К = 1. Для всех др.ионизирующих излучений коэффициент качества устанавливается на основаниирадиобиологических данных. Коэффициент качества может быть разным для различныхэнергий одного и того же вида излучения. Например, для тепловых нейтронов К =3, для нейтронов с энергией 0,5 Мэв К = 10, а для нейтронов с энергией 5,0 МэвК = 7. Эквивалентная доза Dэ определяется как произведениепоглощённой Dn на коэффициент качества излучения К; Dэ =DnК. Коэффициент К является безразмерной величиной, и эквивалентнаядоза может измеряться в тех же единицах, что и поглощённая. Однако существуетспециальная единица эквивалентной дозы — бэр. Эквивалентная доза в 1 бэрчисленно равна поглощённой дозе в 1 рад, умноженной на коэффициент качества К.
В радиобиологииразличают следующие дозы, приводящие к гибели животных в ранние и поздниесроки. Дозы, вызывающая гибель 50% животных за 30 дней (летальная доза — ЛД30/50),составляет при однократном одностороннем рентгеновском или -облучениях для морской свинки 300бэр, для кролика 1000 бэр. Минимальная абсолютно летальная доза (МАЛД) приобщем -облучении равна ~ 600бэр. С увеличением дозы продолжительность жизни животных сокращается, пока онане достигает 2,8—3,5 сут, дальнейшее увеличение дозы не меняет этого срока.Лишь доза выше 10000—20000 бэр сокращают продолжительность жизни до 1 сут, апри последующем облучении — до нескольких часов. При дозе в 15000—25000 бэротмечаются случаи «смерти под лучом». Каждому диапазону доз соответствуетопределённая форма лучевого поражения. Ряд беспозвоночных животных, растений имикроорганизмов обладает значительно более низкой чувствительностью.
Радиочувствительностьразных видов организмов различна. Смерть половины облученных животных (приобщем облучении) в течение 30 сут после облучения (летальная доза — ЛД 50/30)вызывается следующими дозами рентгеновского излучения: морские свинки 250 р,собаки 335 р, обезьяны 600 р, мыши 550—650 р, караси (при 18°С) 1800 р, змеи8000—20000 р. Более устойчивы одноклеточные организмы: дрожжи погибают при дозе30000 р, амёбы — 100000 р, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300000 р.Радиочувствительность высших растений тоже различна: семена лилии полностьютеряют всхожесть при дозе облучения 2000 р, на семена капусты не влияет доза в64000 р.
Большое значение имеюттакже возраст, физиологическое состояние, интенсивность обменных процессоворганизма, а также условия облучения. При этом, помимо дозы облученияорганизма, играют роль: мощность, ритм и характер облучения (однократное,многократное, прерывистое, хроническое, внешнее, общее или частичное,внутреннее), его физические особенности, определяющие глубину проникновенияэнергии в организм (рентгеновское и гамма-излучение проникает на большуюглубину, альфа-частицы до 40 мкм, бета-частицы — на несколько мм), плотностьвызываемой излучением ионизации (под влиянием альфа-частиц она больше, чем придействии других видов излучения). Все эти особенности воздействующего лучевогоагента определяют относительную биологическую эффективность излучения. Еслиисточником излучения служат попавшие в организм радиоактивные изотопы, тоогромное значение имеет химическая характеристика, определяющая участие изотопав обмене веществ, концентрацию в том или ином органе, а следовательно, ихарактер облучения организма.
Первичное действиерадиации любого вида на любой биологический объект начинается с поглощенияэнергии излучения, что сопровождается возбуждением молекул и их ионизацией. Приионизации молекул воды (косвенное действие излучения) в присутствии кислородавозникают активные радикалы (ОН- и др.), гидратированные электроны, а такжемолекулы перекиси водорода, включающиеся затем в цепь химических реакций вклетке. При ионизации органических молекул (прямое действие излучения)возникают свободные радикалы, которые, включаясь в протекающие в организмехимические реакции, нарушают течение обмена веществ и, вызывая появлениенесвойственных организму соединений, нарушают процессы жизнедеятельности. Приоблучении в дозе 1000 р в клетке средней величины (10-9 г) возникаетоколо 1 млн. таких радикалов, каждый из которых в присутствии кислорода воздухаможет дать начало цепным реакциям окисления, во много раз увеличивающимколичество измененных молекул в клетке и вызывающим дальнейшее изменениенадмолекулярных (субмикроскопических) структур. Выяснение большой ролисвободного кислорода в цепных реакциях, ведущих к лучевому поражению, т.н.кислородного эффекта, способствовало разработке ряда эффективных радиозащитныхвеществ, вызывающих искусственную гипоксию в тканях организма. Большое значениеимеет и миграция энергии по молекулам биополимеров, в результате которой поглощениеэнергии, происшедшее в любом месте макромолекулы, приводит к поражению еёактивного центра (например, к инактивации белка-фермента). Физические ифизико-химические процессы, лежащие в основе Б.д.и.и., т. е. поглощение энергиии ионизация молекул, занимают доли секунд.
В радиобиологии такжеопределяется:
Линейный коэффициентпередачи энергии μе — отношение доли энергий dЕ/Е косвенно ионизирующегоизлучения (исключая энергию покоя частиц), которая преобразуется в кинетическуюэнергию заряженных частиц при прохождении элементарного пути dl в веществе, кдлине этого пути: μе=(1/Е) (dЕ/dl)
Примечание. Массовыйкоэффициент передачи энергии μtr, т, выражается через линейный: μе, т =μе/ ρ, где ρ- плотность вещества.
Линейный коэффициентпоглощения энергии μ* en — произведение линейного коэффициента передачиэнергии μе, на разность между единицей и долей g энергии вторичныхзаряженных частиц, переходящей в тормозное излучение в данном веществе:μen = μе (1 — g)'
Примечание. Массовыйкоэффициент поглощения энергии μen,m выражается через линейный:μen.m= μen. / ρ =μе.m (1 — g).
Эквивалент дозы — мерадозы на орган или ткань, предназначенная для количественного выражения вреда,рассчитывается как результат умножения средней поглощенной дозы в органе илиткани и соответствующего коэффициента качества. Заменена величинойэквивалентной дозы, как основной величиной, рекомендуемой МКРЗ, а также длярасчета эффективной дозы. Однако определения некоторых действующих величин дозыпо-прежнему используют эту величину.
Эквивалент амбиентнойдозы — непосредственно измеряемая величина, которая представляет эффективнуюдозу, для использования при мониторинге окружающей среды в условиях воздействиявнешнего облучения. Для сильно проникающего излучения рекомендуется величина d = 10 мм.
Единицыизмерений физических величин
Существуют следующиеединицы измерений физических величин:
Беккерель (Bq): стандартная международнаяединица радиоактивности, равная одному распаду за секунду. Данное количестворадиоактивных атомов имеет активность 1Бк, если в секунду распадается одноядро. Каждый акт распада связан с эмиссией ионизирующего излучения. 1 Бк=1расп/сек. Это — очень небольшая единица, равная примерно 27 пикокюри.
Кюри (Ci): традиционная (внесистемная) единицаизмерения радиоактивности, равная радиоактивности 1 грамма чистого радия. Онаэквивалентна 37 млрд. распадов в секунду (37 млрд. беккерелей). 1 Ки=3,7*1010расп/сек = 3,7*1010 Бк.
Рад: внесистемная единица измеренияпоглощенной дозы радиации, определяемой как накопление 100 эргов энергии на 1 грамм ткани.
Грей (Gy): Международная единицапоглощенной дозы, равная 100 радам.
1 Кл/кг — единица экспозиционной дозы всистеме СИ. Специального названия не имеет. Это такое количество гамма- илирентгеновского излучения, которое в 1 кг сухого воздуха образует 6,24*1018 пар ионов, которые несут заряд в 1 кулон каждого знака. (1 кулон = 3*109 ед.СГСЭ = 0,1 ед. СГСМ). Физический эквивалент 1 Кл/кг равен 33 Дж/кг (длявоздуха). Соотношения между рентгеном и Кл/кг следующие: 1 Р = 2,58*10-4 Кл/кг- точно. 1 Кл/кг = 3,88*103 Р — приблизительно.
Рентген: внесистемная единица экспозиционнойдозы. Это такое количество гамма- или рентгеновского излучения, которое в 1 см3сухого воздуха (имеющего при нормальных условиях вес 0,001293 г) образует 2,082*109 пар ионов. Эти ионы несут заряд в 1 эл. статическую единицу каждогознака (в системе СГСЭ), что в единицах работы и энергии (в системе СГС)составит около 0,114 эрг поглощённой воздухом энергии (6,77*104 Мэв). (1 эрг =10-7 Дж = 2,39*10-8 кал). При пересчёте на 1 г воздуха это составит 1,610*1012 пар ионов или 85 эрг/г сухого воздуха. Таким образом физический энергетическийэквивалент рентгена равен 85 эрг/г для воздуха. (По некоторым данным он равен83,8, по другим — 88,0 эрг/г). Единица рентген может быть использована дозначения энергии 3 Мэв рентгеновского и y — излучений. От 1 рентгена некостныебиологические ткани получают радиационное воздействие, равное примерно 1 раду.
Рем (радиационный эквивалент человека):единица измерения эквивалентной поглощенной дозы радиации, учитывающаяразличные пути передачи энергии от ионизирующей радиации тканям человеческогоорганизма (известна также как относительная биологическая эффективность). В товремя как в радах и греях измеряется накопление энергии в тканях, ремы изиверты измеряют биологический ущерб. В случае бета- и гамма-радиации рады иремы равны друг другу. Однако, поскольку альфа-радиация наносит гораздо большийущерб на единицу энергии, накопленной в живых тканях, измеренная в радахальфа-радиация должна быть умножена на равный 20 коэффициент с тем, чтобыполучить результат в ремах. Указанный коэффициент 20 (называемый качественнымфактором) принят в настоящее время, однако в будущем он может быть изменен врезультате переоценки наносимого радиацией ущерба.
Зиверт (Sv): Стандартная единица измеренияэквивалентной поглощенной дозы, равной 100 ремам (по имени шведского ученогоЗиверта (R.М. Sievert) — первого председателя Международной комиссии порадиологической защите, МКРЗ). Это — единица эквивалентной и эффективнойэквивалентной доз в системе СИ. 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которойпроизведение величины поглощённой дозы в Грэях (в биологической ткани) накоэффициент WR будет равно 1 Дж/кг. Иными словами, это такая поглощённая доза,при которой в 1 кг вещества выделяется энергия в 1 Дж. При WR=1(длярентгеновского, γ-, β-излучений, электронов и позитронов) 1 Звсоответствует поглощённой дозе в 1 Гр.
Бэр – внесистемная единица эквивалентнойдозы излучения – количество энергии любого вида, которое при поглощении в 1 г биологической ткани произведет биологическое действие, эквивалентное действию рентгеновского илиγ-излучения при дозе в воздухе 1 рентген. До 1963 единица бэр определяласькак биологический эквивалент рентгена (отсюда и название). 1 бэр = 1 рад * К =100 эрг/г*К = 0,01 Гр*К = 0,01 Дж/кг*К = 0,01 Зиверт. При коэффициенте качестваизлучения К = 1, то есть для рентгеновского, гамма-, бета-излучений, электронови позитронов, 1 бэр соответствует поглощённой дозе в 1 рад. 1 бэр = 1 рад = 100эрг/г = 0,01 Гр = 0,01 Дж/кг = 0,01 Зиверт. Ещё в 50-х годах было установлено,что если при экспозиционной дозе в 1 рентген воздух поглощает 83,8÷88,0эрг/г (физический эквивалент рентгена), то биологическая ткань поглощает 93-95эрг/г (биологический эквивалент рентгена). Поэтому оказывается, что при оценкедоз можно считать (с минимальной погрешностью), что экспозиционная доза в 1рентген для биологической ткани соответствует (эквивалентна) поглощённой дозе в1 рад и эквивалентной дозе в 1 бэр (при К=1), то есть, грубо говоря, что 1 Р, 1рад и 1 бэр — это одно и то же.
Бэрад – поглощенная доза любогоионизирующего излучения, которая обладает той же биологической эффективности,что и 1 рад рентгеновских лучей со средней удельной ионизацией 100 пар ионов на1 мкм слоя воды.
Фэр – физический эквивалент рентгена,внесистемная единица эквивалентной дозы корпускулярного ионизирующего излучения(α- и β- частицы, нейтроны), при которой в воздухе образуется столькоже пар ионов, сколько при экспозиционной дозе рентгеновского илигамма-излучения в 1 рентген. Международное обозначение rep.
Для рентгеновских,гамма-, бета излучений, электронов и позитронов величины рентген, рад и бэр, атакже величины Грэй и Зиверт оказываются равнозначными при оценке облучениячеловека.
Литература
1. Александер П. А., Основы радиобиологии,пер. с англ., М., 1993;
2. Гродзенский Д. Э., Радиобиология, М.,1999;
3. Иванов В. И., Курс дозиметрии, 2изд., М., 1990