РАДИОМЕТРИЯ И ДОЗИМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ (лекция)

РАДИОМЕТРИЯ И ДОЗИМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБНАРУЖЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ. РАСЧЕТ ДОЗ ПРИ ВНЕШНЕМ И

ВНУТРЕННЕМ ОБЛУЧЕНИИ.

4.1. Понятие о дозе излучения, виды доз, мощность дозы, единицы

измерения.

Биологическое действие рентгеновского и ядерных излучений на организм

обусловлено ионизацией и возбуждением атомов и молекул биологической среды. На

процесс ионизации излучения расходуют свою энергию. В результате взаимодействия

излучений с биологической средой живому организму передается определенное

количество энергии. Часть поступающего в организм излучения, которое пронизывает

облучаемый объект

(без поглощения), действия на него не оказывает. Поэтому

основная физическая величина, характеризующая действие излучения на организм,

находится в прямой зависимости от количества поглощенной энергии. Для измерения

количества поглощенной энергии введено такое понятие, как

«доза» излучения

величина энергии, поглощенная в единице объема (массы) облучаемого вещества.

Различают дозу в воздухе, дозу на поверхности (кожная доза) и в глубине

облучаемого объекта (глубинная доза), очаговую и интегральную (общая поглощенная

доза) дозы.

Так как поглощенная энергия расходуется на ионизацию среды, то для

измерения ее необходимо подсчитать число пар ионов, образующихся при излучении.

Однако измерить ионизацию непосредственно в глубине тканей трудно. В связи

с этим для количественной характеристики рентгеновского и гамма-излучений,

действующих на объект, определяют так называемую экспозиционную дозу D_о, которая

характеризует ионизирующую способность рентгеновских и гамма-лучей в воздухе.

От экспозиционной дозы с помощью соответствующих коэффициентов

переходят к дозе, поглощенной в объекте. Экспозиционную дозу определяют по

ионизирующему действию излучения в определенной массе воздуха и только при

значениях энергии рентгеновских и гамма-лучей в диапазоне от десятков кэВ (кило) до

3 МэВ.

За единицу экспозиционной дозы в Международной системе единиц

(СИ)

принят кулон на килограмм (Кл/кг), т, е. такая экспозиционная доза рентгеновских и

гамма-лучей, при которой в 1 кг сухого воздуха образуются ионы, несущие заряд в

один кулон электричества каждого знака.

На практике применяют внесистемную единицу - рентген (1 Р = 2,58 * 10^-4

Кл/кг) принятую в 1928 г.

Рентген (Р) — экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при

которой в 1 см³воздуха (0,001293 г сухого воздуха) при нормальных условиях(0 С^о и

1013 ГПа) образуется 2,08*10⁹ пар ионов

Поскольку на образование одной пары ионов в воздухе в среднем затрачивается

34 эВ, то энергетический эквивалент рентгена в 1 см³ воздуха составляет 2,08 * 10⁹*

34=7,08 *10⁴ МэВ = 0,114 эрг/см³, или в 1 г воздуха 88 эрг (0,114/0,001293 = 88 эрг).

Производные единицы рентгена: килорентген (1 кР = 10³Р), миллирентген (1 мР

= 10^-3 Р), микрорентген (1 мкР=10 ^-6Р).

В радиобиологии широкое применение получила внесистемная международная

единица поглощенной дозы, которая рекомендована Международным конгрессом

радиологов в 1953 г. и получила широкое применение в практике.

Единица рад (rad- radiation absorbent doze) — поглощенная доза любого

вида ионизирующего излучения, при которой в 1 г массы вещества поглощается

энергия излучения, равная 100 эрг (1 рад = 100 эрг/г = 10^-2 Дж/кг). Производные

единицы рад:

килорад (1 крад = 10 ³рад),

миллирад (1 мрад = 10^-3 рад),

микрорад (1 мкрад= 10^-6 рад).

За единицу поглощенной дозы в Международной системе единиц (СИ)

принят джоуль на килограмм (Дж/кг), т. е. такая поглощенная доза, при которой в

1 кг массы облученного вещества поглощается 1 Дж энергии излучения. Этой

единице присвоено наименование грей (Гр), 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Эквивалентной единицей поглощенной дозы является зиверт (Зв).

Поскольку при одной и той же энергии гамма-квантов и частиц в

1 г

биологической ткани, разной по химическому составу, поглощается различное

количество энергии, поглощенную в тканях дозу измеряют в радах расчетным путем по

формуле:

Dрад = D_pf

где Dрад — поглощенная доза, рад; D_p— экспозиционная доза в той же точке,

f— переходный коэффициент, значение которого зависит от энергии излучения и от

рода поглощающей ткани (атомного номера и плотности).

Если в воздухе доза излучения в 1 Р энергетически эквивалентна 88 эрг/г, то

поглощенная энергия для этой среды составит 88 :100 = 0,88 рад. Таким образом, для

воздуха поглощенная доза, равная 0,88 рад, соответствует экспозиционной дозе в 1 Р.

Переходный коэффициент обычно определяют опытным путем. Для воды и

мягких тканей коэффициент округленно принят за единицу (фактически он составляет

0,93).

Следовательно, поглощенная доза в радах численно почти равна

соответствующей экспозиционной дозе в рентгенах. Для костной ткани коэффициент f_k

= 2-5.

В биологическом отношении важно знать не просто дозу излучения, которую

получил облучаемый объект, а дозу, полученную в единицу времени.

В одном случае суммарная доза, значительно превышающая смертельную, но

полученная в течение длительного периода времени, не только не приведет к гибели

животного, но даже не вызовет у него реакцию лучевого поражения.

В другом случае доза меньше смертельной, но полученная в короткий отрезок

времени, может вызвать лучевую болезнь различной тяжести. В связи с этим введено

понятие мощности дозы.

Мощность дозы (Р)—это доза излучения D, отнесенная к единице времени t

Р=D/t; P= D/t

Чем больше мощность дозы Р, тем быстрее растет доза излучения D.

Понятие мощности дозы относится как к экспозиционной, так и к поглощенной

дозе.

Для экспозиционной дозы (система Си): ампер на килограмм (А/кг),

внесистемная единица — рентген в час (Р/ч) или рентген в минуту (Р/мин) и т. д.

Для поглощенной дозы соответственно: ватт на килограмм (Вт/кг), внесистемные

единицы—рад в час (рад/ч), рад в минуту (рад/мин) и т. д.

Установлено, что биологическое действие одинаковых доз различного вида

излучения на организм неодинакова

Эго связано с удельной ионизацией излучения. Чем выше удельная ионизация,

тем больше коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ\ или

коэффициент качества

(КК) Коэффициент ОБЭ

(КК показывает, во сколько раз

эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем

рентгеновского или гамма-излучения при одинаковой поглощенной дозе в тканях.

Для оценки биологической эффективности различных видов излучения введены

биологический эквивалент рентгена (бэр) и биологический эквивалент рада (бэрад), т.е.

биологическая доза.

Единица бэр

- это доза любого ядерного излучения, при которой в

биологической среде создается такой же биологический эффект, как при дозе

рентгенового или гамма-излучения в 1 Р,;бэрад - поглощенная доза любого вида

излучения которая по своему биологическому действию эквивалентна

1 раду

рентгенового или гамма-излучения. Производные эквивалентные дозы:

Килобэрад (кбэрад) = 10³ бэрад,

миллибэр (мбэрад) = 10 ^-3бэрад,

микробэр (мкбэрад) = 10^-6 бэрад.

Биологические дозы в бэрад численно равняются произведению поглощенной

дозы на коэффициент ОБЭ (относительный биологический эффект).

D бэрад= Dрад • ОБЭ.

ОБЭ нельзя пока считать достаточно точным его применение ограничивается

определением норм защиты от тотального (общего) облучения. Пример: Рассчитать

экспозиционную (физическую) и эквивалентную поглощенную дозу от смешанного

источника излучения, если доза от гамма- излучения 1 рад, бета-излучения 10 рад,

Следовательно суммарный эквивалент дозы в

2 с лишнем раза больше

физической.

Соотношение между активностью радиоактивных препаратов и дозой

создаваемой их гамма-излучением.

Для установления соотношения между активностью радиоактивного препарата и

экспозиционной дозой, надо используют гамма-постоянную (Кγ).

Для точечного источника с активностью А

(мКи) доза излучения D

(Р),

создаваемая за время t(ч),на расстоянии R см, выражается формулой

Квадрат расстояния

(R²) в знаменателе показывает, что доза от точечного

источника

(точечный источник, если его линейные размеры в

5-10 раз меньше

расстояния, на котором измеряется доза) ослабевает по закону квадратов расстояния,

подобно изменению интенсивности света.

Принцип расчета доз при внутреннем (инкорпорированном) облучении.

При работе с открытыми источниками радиоактивных излучений,

радиоактивные вещества (РВ) могут в следствии нарушении техники безопасности или

при аварии попасть в организм через дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт,

поры кожи и открытые поверхности. Иногда радиоактивные вещества вводят в

организм с диагностической, терапевтической или экспериментальной целями.

Во всех случаях попадания РВ в организм создается опасность лучевого

поражения. Определить дозу, полученную в результате внутреннего облучения, трудно

и особенно тогда, когда не известно количество РВ поступившего в организм. Следует

отметить, что при одних и тех количествах РВ внутреннее облучение во много раз

опаснее внешнего. Это связано с рядом особенностей:

 резко возрастает время облучения, так как попавшие внутрь организма РВ

вступают в химическую связь с различными элементами живой ткани и медленно

выводятся из нее;

 расстояние от источника облучения до облучаемой ткани сокращается практически

до нуля, а телесный угол, при котором облучение воздействует на организм

достигает 4π;

 внешнее облучение воздействует на все ткани практически в равной степени тогда

как РВ откладываются внутри организма неравномерно и могут концентрироваться

вблизи особо чувствительных к излучению и важных в жизнедеятельности

органов, или непосредственно в них (критические органы)

 наибольшая опасность внутреннего облучения связана еще с тем, что в числе

поражающих факторов РВ при внутреннем о лучении необходимо учитывать

коэффициент ОБЭ, характеризующий линейную плотность ионизации. Особенно

это относится к альфа-излучению.

Содержание РВ в организме со временем уменьшается в результате двух

одновременно протекающих процессов: физического распада и биологического

выведения из организма.

Скорость биологического выведения больше у тех РВ которые имеют меньшее

«сродство» с элементами живой ткани. РВ вступающие в обмен веществ и прочные

биологические соединения удерживаются в организме длительное время.

Следовательно, эффективная постоянная выведения λэфф будет складываться из

постоянной физического распада λфиз и постоянной биологического выведения λбиол.

λэфф = λфиз +λ биол.

Если перейти от величин постоянных выведения к периодам полураспада Тфиз и

периодам полувыведения Тбиол, то убывание активности

{эффективный период,

полувыведения Тэфф) можно определить по формуле:

Тэфф = Тфиз х Тбиол / Тфиз + Тбиол.

Эффективность периода полувыведения Тэфф показывает за какое время

количество радиоактивных изотопов в организме (органе) уменьшиться в 2 раза.

Доза при внутреннем облучении может быть подсчитана, если известен

радиоактивный изотоп, его распределение в организме и время облучения. Со

временем концентрация радиоактивного изотопа в тканях организма будет

уменьшаться по экспоненциональной зависимости C_t=C₀e^-λэффt - (где C₀ - исходная

концентрация радиоактивных изотопов Ки/г; С_t

-концентрация радиоактивного

изотопа, оставшаяся по прошествии времени t, е - основание натуральных логарифмов;

λэфф

- постоянная эффективного выведения; t-время прошедшее от начального

момента до данного (t=0).

Мощность дозы при однократном поступлении РВ пропорциональна

концентрации и следовательно, также буде убывать по экспоненте

Поглощенная доза для короткоживущего β-излучающего изотопа,

распадающегося практически полностью в течение первых суток (или 1 недели) после

Если в объекте облучения одновременно находятся α,β и γ- излучающие

изотопы, то отдельно рассчитывают дозы от каждого вида излучения, а полученные

величины складываются.

Микродозиметрия - область физики занимающаяся исследованием процесса

передачи и распределения энергии ионизирующего излучения в веществе в пределах

микрообъектов (клетки).

4.2. Методы и средства дозиметрии и радиометрии, методы определения

радиоактивности проб.

Для любого вида излучения существуют две группы понятий величин. Одна

группа принадлежит к количественным характеристикам излучения, другая к

качественным характеристикам излучения.

Дозиметрия — раздел ядерной физики и измерительной техники, в котором

изучают величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества,

а также методы для качественного и количественного измерения.

Радиометрия — раздел прикладной ядерной физики занимающийся измерением

количества радиоактивных веществв по их активности и их идентификации.

Несмотря на различие задач радиометрии и дозиметрии, базируются они на

общих методических принципах обнаружения и регистрации ионизирующих

излучений.

Наши органы чувств не могут непосредственно обнаружить ионизирующее

излучение. Эти излучения могут быть обнаружены (детектированы), при помощи

приборов и приспособлений, работа которых основана на физико-химических эффектах

возникающих при взаимодействий излучений с веществом.

Наиболее распространенным методом регистрации излучений является

ионизационный метод, который основан на измерении непосредственно

ионизационного эффекта вызываемого излучением при прохождении через вещество -

ионизация газовой среды

(ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и

счетчики Гейгера-Мюллера, а также коронные и искровые счетчики).

Помимо ионизирующего, используются фотографический, люминесцентный,

химический, колориметрический и другими методы измерений, которые основаны на

вторичных эффектах происходящих в результате ионизации, произведенные

излучением.

Наиболее важным физическим явлением сопровождающим распространение

рентгеновских лучей, излучений радиоактивных элементов и нейтронных потоков

через какую-либо среду, является ионизация этой среды.

Ионизирующие излучения | квантовое(гамма- лучи) или корпускулярное(альфа и

бета-частицы) излучения, способны, при взаимодействии с веществом создавать в нем

заряженные атомы - ионы. Ионизация среды заключается в том, что некоторая часть

молекул испытывает расщепление на положительные и отрицательные ионы, т.е. ведет

к образованию ионных пар.

Ионизация производится заряженными частицами, либо испускаемыми

радиоактивными веществами (альфа, бета-частицами), либо возникающих в среде под

действием рентгеновских (гамма)лучей или нейтронов.

Движущаяся в среде заряженная частица вступает во взаимодействие с атомами

среды и в результате этого взаимодействия постепенно теряет свою кинетическую

энергию. Различают ионизационные и радиационные потери энергии.

Ионизационные потери получаются в следствии того, что часть энергии быстро

движущейся заряженной частицы тратится на ионизацию, а также на возбуждение

атомов среды. При ионизации из атомов выбивается один из электронов, который в

свою очередь будет двигаться в среде, испытывая такие же ионизационные и

радиационные потери и производя ионизацию и возбуждения атомов среды.

Радиационные потери сопровождаются возникновением излучения при

торможении заряженной частицы, например непрерывный спектр рентгеновских лучей,

испускаемых анодом рентгеновской трубки, при резком торможении падающих на него

электронов.

Важной величиной определяющей энергетическую сторону процесса ионизации,

является так называемая работа ионизации.

Средняя работа - затрачиваемая на образование одной пары ионов в газах.

Средняя работа ионизации зависит прежде всего от рода газа, а для данного газа от

природы ионизирующего излучения и от их энергии.

Величина ионизации на данной длине пути частицы зависит главным образом от

2-х факторов: скорости ионизирующей частицы и заряда ионизирующей частицы

(определяет величину или взаимодействие). Отсюда следует, что ионизация тем

меньше, чем больше скорость и меньше заряд.

Приближенно ионизация на единицу пути (удельная ионизация) меняется прямо

пропорционально квадрату заряда и обратно пропорционально квадрату скорости

заряженной частицы.

Таким образом, при данной энергии, частицы несущие 2 заряда и двигающуюся

медленно дадут значительно большую удельную ионизацию, чем бета-частицы.

Излучение, не имеющее заряда

(гамма-излучение, рентгеновские лучи) может

ионизировать только по средствам механизма столкновений, приводящего в движение

вторичные заряженные частицы. По этой причине эффект измерения гамма-лучей

меньше на один порядок величин, чем эффективность измерения альфа и бета-частиц.

Итак, ионизационные детекторы излучения: ионизационные камеры,

пропорциональные счетчики Гейгера-Мюллера, а также коронные и искровые счетчики

- характеристики их изложены в технических инструкциях.

Фотографический метод.

При воздействии излучений на фотографическую пленку или фотоэмульсию в

результате ионизации происходят фотохимические процессы воздействия. По числу

следов в фотоэмульсии можно судить об интенсивности потока излучения, а по длине

следа определяютют энергию частицы. Доза гамма-излучения измеряется по

суммарному почернению фотопленки. Фотографические пленки широко используются

в дозиметрии для определения дозы гамма-излучения, полученной каждым

работником.

Люминесцентный (сцинтилляционный) метод:

Некоторые вещества, например сернистый цинк, стиблен, антрацен и другие

светятся

(люминесцируют) под влиянием излучения. Слабые световые вспышки,

которые преобразуются с помощью фотоумножителя, могут быть затем

зарегистрированы измерительным прибором. Прибор состоящий из люминесцентного

кристалла и фотоумножителя, называется люминесцентным или сцинтиллационным

счетчиком.

Химический метод

Под воздействием излучений химические вещества изменяют свои свойства:

изменяется цвет растворов, выделяются газы из соединений, происходит осаждение

коллоидов и т.п.. Степень этих изменений зависит от дозы излучения. Химические

методы дозиметрии являются малочувствительными и используются в основном для

измерения больших доз излучения.

Классификация приборов для измерения излучений. Методы измерения.

Приборы для измерения ионизирующих излучений можно условно разделить на 3

категории радиометрические

(радиометры), дозиметрические

(дозиметры), и

устройства для ядерно-физических исследований.

Радиоактивность препаратов можно определить абсолютным, расчетным и

относительным (сравнительным) методами. Наиболее широкое применение в практике

имеет последний.

Относительный

(сравнительный) метод определения радиоактивности

основан на сравнении активности исследуемого препарата с активностью стандартного

препарата (эталона) содержащее известное количество изотопа. Достоинства метода:

простота, оперативность, достоверность.

Вопросы для самоконтроля

1. Что понимается под радиометрией и дозиметрией?

2. Перечислите и дайте характеристику методам и средствам дозиметрии и радиометрии.

3. Что понимается под дозой излучения?

4. Назовите единицы измерения доз излучения.

5. Как рассчитать дозу при внешнем облучении?

6. Как рассчитать дозу при внутреннем облучении?

///////////////////////////////////////