Основные физические величины, используемые в радиационной защите, и их единицы

Продолжение табл. 1.4.

Продолжение табл. 1.4.

Продолжение табл. 1.4.

поглощает энергию в 1 джоуль (Дж). 1 Гр = 1 Дж/кг = 2,388•10^-4 ккал/кг = 6,242•10¹⁵ эВ/г = 10⁴ эрг/г = 100 рад.

Энергию частиц измеряют в электрон-вольтах (эВ). Электрон-вольт - это энергия, которую приобретает электрон под действием электрического поля с разностью потенциалов (напряжением) в 1 вольт.

1 эВ = 1,6•10^-12 эрг = 1,6•10^-19 джоуля = 3,83•10^-20 калорий

Исходя из соотношений: 1 Дж = 0,239 кал = 6,25•10¹⁸ электрон-вольт = 10⁷ эрг,

1 рад = 10^-2Дж/кг = 100 эрг/г = 0,01 Гр = 2,388 × 10^-6 кал/г.

Кратные единицы поглощённой дозы – килогрей (1 кГр = 1 Гр•10³), миллигрей (1 мГр = 1 Гр•10^-3). Принцип образования кратных единиц измерения ионизирующей радиации представлен в табл. 1.5.

Поглощённая энергия расходуется на нагрев вещества, а также на его химические и физические превращения. Она растёт с увеличением времени облучения и зависит от состава вещества, вида излучения (рентгеновское излучение, поток нейтронов и т. п.), энергии его частиц, плотности их потока и состава облучаемого вещества. Например, для рентгеновского и γ-излучений она зависит от атомного номера (Z) элементов, входящих в состав вещества.

Характер этой зависимости определяется энергией фотонов, зависящей от частоты электромагнитных колебаний – hv В данной формуле:h — постоянная Планка; введена М. Планком в1900 г. при

установлении закона распределения энергии в спектре излучения абсолютно чёрного тела. Наиболее точное значение h = (6,626196 ± 0,000050)•10^-34 джоуль•с = (6,626196 ± 0,000050)•10^-27 эрг•с. Однако чаще пользуются h = h/2π = (1,0545919 ± 0,0000080)•10^-27 эрг•с, также называемой постоянной Планка, а v — это частота электромагнитных колебаний.

В результате таких взаимодействий в биологических тканях нарушаются физиологические процессы, и развивается в ряде случаев лучевая болезнь различной степени тяжести. Поглощенная доза излучения является основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия.

Один из первых открытых естественных радиоактивных элементов был «радий» – испускающий лучи, излучающий. Образование его и других естественных радионуклидов протекает в процессе самопроизвольных превращений (распадов) нуклидов семейства урана и тория. В качестве примера приводим на рис. 1.6 цепочку многочисленных превращений радионуклидов семейства ²³⁸U, сопровождающиеся α- или β-излучениями и завершающиеся образованием стабильного нуклида свинца.

Наибольшую дозу облучения (50%) человек получает от радона-222 (²²²Rn) и его производных – представителей семейства ²³⁸U. (рис. 1.6). 14 % дозы создаётся g-лучами от земли и зданий, 12% - пищей и напитками, 10% - космическими лучами (внутреннее облучение за счёт космогенных радионуклидов: углерода-14 - ¹⁴C (12 мкЗв/год), берилия-7 - ⁷Ве (3 мкЗв /год), натрия–22 - ²²Na (0,2 мкЗв/год) и трития - ³H (0,01 мкЗв/год).

Внешняя поглощённая доза - доза, полученная человеком от источника, находящегося вне организма. Оно составляет почти 33% общей дозы облучения и создаётся потоком частиц или квантов от земли и зданий (главным образом калием-40), космическим излучением и антропогенными источниками. Жители Беларуси получают также дополнительное облучение за счёт чернобыльских радионуклидов. 90 % её создаётся цезием-137, 9% - стронцием-90 и 1% - изотопов плутония. После ядерного взрыва проникающая радиация создаётся потоком γ-лучей и нейтронов, испускаемых примерно в течение 10-25 секунд с момента ядерного взрыва.

Поток γ-лучей - фотонов (F) – отношение числа ионизирующих частиц (фотонов) dN, проходящих через данную поверхность за интервал времени dt, к этому интервалу: F= dN/dt. Eдиница измерения потока ионизирующих частиц – частица / с (одна частица в секунду).

Флюенс (перенос) ионизирующих частиц (фотонов) - отношение числа ионизирующих частиц (фотонов) dN, проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения dS этой сферы: Ф = dN/dS. Единица измерения флюенса частиц – частица / м² (одна частица на квадратный метр).

Плотность потока ионизирующих частиц (фотонов, φ) - отношение потока ионизирующих частиц (фотонов) dF проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения dS этой сферы: φ = dF/dS = dФ / dt = dN/dt•dS. Единица измерения плотности потока - частица/с^-1•м^-2 (одна частица или квант в секунду на квадратный метр).

При прохождении этих фотонов (гамма излучение) различают узкий и широкий пучок. Геометрия узкого пучка характеризуется тем, что детектор регистрирует только не рассеянное излучение источника. Геометрия, при которой детектор регистрирует не рассеянное и рассеянное излучение, называется широким пучком.

Удельная поглощённая доза (σ) – поглощённая доза, создаваемая излучением при флюенсе = одна частица на квадратный метр: σ = D / Ф.

Внутренняя поглощённая доза - доза, полученная каким-либо органом человеческого организма от источника радиации, находящегося внутри организма. Этим источником внутреннего облучения может быть радиоактивное вещество, которое проникает в организм через кишечник с пищей (пищевые продукты и вода), через легкие (при дыхании воздуха) и, в незначительной степени, через кожу, либо через раны или порезы, а также при медицинской радиоизотопной диагностике. Источники внутреннего облучения можно условно разделить на источники чернобыльского происхождения (в настоящее время большая их часть цезия-137, стронция-90 и плутония-239, 240 содержится в продуктах питания) и естественного происхождения. Последние создают почти 67% суммарной дозы облучения.

Источник внутреннего облучения остаётся в организме на определенное время, в течение которого и оказывает свое негативное воздействие. Длительность воздействия определяется периодом полураспада источника, попавшего в организм, и количеством времени, в течение которого он выводится из организма. Вывод радионуклидов из организма представляет собой весьма сложное явление. Его можно лишь приблизительно описать посредством концепции "биологического полувыведения" - времени, необходимого для выведения из организма половины радиоактивного материала.

Состояние радиационной обстановки на местности или в помещении характеризует экспозиционная доза. Экспозиционная доза (фотонного излучения) — количественная характеристика рентгеновского и γ-излучения с энергией до 3 МэВ, основанная на их ионизирующем действии и выраженная как отношение суммарного заряда всех ионов одного знака dQ, возникающих при полном торможении электронов и позитронов, которые были образованы фотонами в элементарном объеме воздуха, к массе dm воздуха в этом объеме: Х = dQ/dm. Представляет собой энергетическую характеристику излучения, оцениваемую по эффекту ионизации сухого атмосферного воздуха, и меру ионизационного действия фотонного излучения, определяемую по ионизации воздуха в условиях электронного равновесия.

Единицей измерения экспозиционной дозы в СИ является кулон на килограмм (Кл/кг). Широко распространена также внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген (Р) (названа в честь немецкого физика Вильгельма Конрада Рентгена, открывшего в 1895 г. рентгеновские лучи): один рентген (1 Р) – это такая доза фотонного излучения, под действием которой в 1 см³ сухого воздуха при нормальных условиях (0°С и 760 мм рт. ст.) образуются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.

Доза в 1 Р соответствует образованию 2,083•10⁹ пар ионов в 1 см³ воздуха (при 0° С и 760 мм рт. ст.), или 1,61•10¹² пар ионов в 1 г воздуха. Если учесть, что заряд электрона равен 1,6•10^-19 кулона, а масса 1 см³ воздуха = 1,29•10^-6 кг, то 1 Р составляет 2,57976•10^-4 Кл/кг. В свою очередь 1 Кл/кг = 3,876•10³ Р. На создание такого количества ионов необходимо затратить энергию, равную 0,114 эрг/см³ или 88 эрг/г, т. е., 88 эрг/г есть энергетический эквивалент рентгена.

Соотношения между единицами измерения экспозиционной и поглощенной дозами составляют: для воздуха 1 Р = 0,88 рад, для биологической ткани 1 Р = 0,93 рад, 1 рад равен в среднем 1,44 Р.

Мощность экспозиционной дозы – приращение экспозиционной дозы в единицу времени. Ее единица в системе СИ – ампер на килограмм (А/кг).

1 Р/с = 2,58•10^-4 А/кг.

В зоне аварии Чернобыльской атомной станции есть районы, где радиоактивность почвы достигает 1200 микрорентген в час. По величине экспозиционной дозы можно рассчитать и поглощённую дозу рентгеновского и γ-излучений в любом веществе. Для этого необходимо знать состав вещества и энергию фотонов излучения.

Следует помнить, что, согласно принятому ГОСТу, после 1 января 1990 г. не рекомендуется вообще пользоваться понятием экспозиционная доза и её мощность. Поэтому во время переходного периода эти величины следует указывать не в единицах СИ, а во внесистемных единицах – рентгенах и рентгенах в секунду (Р/с).

Различают как единовременное, так и постоянное (хроническое) радиационное воздействие. Единовременное воздействие возникает при чрезвычайных обстоятельствах, в частности, авариях и оценивается по поглощённой дозе. Постоянное же воздействие, которое может возникать в результате регулярных выбросов радиоактивности в воздух или воду или постоянного нахождения радионуклидов в окружающей среде, как правило, осуществляет длительное поражающее действие на человека. Такое воздействие радиация оказывает на людей, проживающих на загрязнённых радионуклидами землях после аварии на ЧАЭС. Для оценки указанных доз облучения используют такие понятия, как эквивалентная и эффективная эквивалентная дозы облучения.

Эквивалентная доза излучения - величина, используемая для оценки радиационной опасности хронического облучения человека различными видами ионизирующих излучений и определяемая суммой произведений поглощенных доз отдельных видов излучений на их коэффициенты качества. Можно сказать, что это средняя поглощенная доза излучения D в органе или ткани Т, умноженная на взвешивающий радиационный коэффициент W_R (или, как его ещё называют, коэффициент качества излучения – К, см. табл. 1.6) для биологической ткани стандартного состава (10,1% - водорода; 11,1% - углерода; 2,6% - азота; 76,2% - кислорода, по массе):

H _{T, R} = D W_R= Σ D_{T, R} W_R,

где R - индекс вида и энергии излучения.

Коэффициент качества излучения показывает, во сколько раз ожидаемый биологический эффект от исследуемого излучения больше, чем для излучения с линейной передачей энергии (ЛПЭ) ≤ 3,5 кэВ на 1мкм пути в воде. Для различных излучений взвешивающий радиационный коэффициент (W_R) устанавливается в соответствии с «Нормами радиационной безопасности - НРБ-2000» в зависимости от линейной передачи энергии (табл. 1.5):

Таблица 1.5

Линейная передача энергии – ЛПЭ (LET - Linear Energy Transfer) - интенсивность передачи энергии (и, следовательно, уровень поражения) в расчете на единицу пройденного пути. Например, α-частица относится к высокой ЛПЭ-радиации, тогда как фотоны и электроны - к низкой ЛПЭ-радиации.

Взвешивающий радиационный коэффициент W_R (коэффициент качества К) показывает во сколько раз радиационная опасность для определённого вида излучения выше, чем радиационная опасность для рентгеновского излучения при одинаковой поглощённой дозе в

Таблица 1.6