Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 48. Дозиметрія. Дози випромінювання. Захист від йонізуючого випромінювання

Дозиметрія — розділ прикладної ядерної фізики, що розглядає йонізуюче випромінювання, фізичні величини, що характеризують поле випромінювання або взаємодію випромінювання з речовиною, а також принципи та методи визначення цих величин.

Дозиметрія має справу з такими фізичними величинами йонізуючого випромінювання, які визначають його хімічну, фізичну та біологічну дію. Найважливіша властивість дозиметричних величин — встановлений зв’язок між фізичною величиною, що вимірюється, й очікуваним радіаційним ефектом.

При формуванні дози опромінення в біологічному середовищі розрізняються безпосередньо йонізуючі частинки і побічно йонізуючі частинки. Безпосередньо йонізуючі частинки — заряджені частинки: α-частинки (ядра Гелію), β-частинки (електрони, позитрони) тощо; побічно йонізуючі частинки — незаряджені частинки: нейтрони, γ-кванти.

При опроміненні біологічних індивідуумів розрізняють гостре (що виявляється ранніми ефектами опромінення) і пролонговане (тривале), однократне і багатократне (фракціоноване) опромінення. Гостре і пролонговане опромінення можуть бути однократними або багатократними. Можливе хронічне опромінення, що здійснюється тривалий час при дуже малих потужностях дози.

Дозу, що формується випромінюванням в речовині, можна оцінити, вимірюючи, наприклад, спричинене ним підвищення температури. Проте навіть при дозах, небезпечних для життя людини, енергії, що виділяється, виявляється недостатньо для нагріву опромінюваного організму на тисячні частки градуса. Тому при вивченні дії випромінювання на біологічні об’єкти дози оцінюють із застосуванням чутливіших методів дозиметрії.

Основною фізичною дозиметричною величиною, що використовується для оцінки міри дії випромінювання на середовище, є поглинута доза випромінювання.

Поглинута доза випромінювання (D) — величина, що визначається енергією випромінювання, яка поглинається одиницею маси опроміненої речовини.

За одиницю дози в СІ прийнято один грей (1 Гр): 1 Дж/1 кг = 1 Гр.

Грей — це така доза йонізуючого випромінювання, при якій ділянці речовини масою 1 кг передається енергія 1 Дж. Позасистемною одиницею є 1 рад: 1 рад = 0,01 Гр.

Поглинута доза характеризує не саме випромінювання, а міру його дії на середовище. Той самий потік випромінювання в різних середовищах і навіть в різних ділянках одного середовища може сформувати різне значення поглинутої дози. Тому, коли говорять про поглинуту дозу, потрібно вказувати, у якому середовищі вона сформована: у повітрі, воді або м’якій біологічній тканині.

Для характеристики розподілу дози опромінення в часі використовують величину потужності поглинутої дози, або інтенсивності опромінення. Під цим розуміють кількість енергії випромінювання, що поглинається в одиницю часу одиницею маси опромінюваної речовини (Гр/година; Гр/рік).

Індуковані біологічні ефекти не залежать від таких чинників, як потужність дози, її розподіл, умови і ритм опромінення. Вихід ефектів визначається лише сумарною накопиченою дозою (незалежно від часу опромінення), тобто наслідки опромінення будуть однаковими при однократному опроміненні даною дозою або при її здобутті протягом кількох днів, місяців і навіть року. На міру вираженості ефекту впливатиме лише просторовий розподіл актів йонізації і збудження, що створюються в треках, тобто лінійного передавання енергії (ЛПЕ) йонізуючого випромінювання. Тому для таких умов уведено спеціальну величину дози, що враховує обидва цих чинники, — еквівалентна доза. Цією величиною можна однозначно пов’язати вихід радіаційних наслідків опромінення з дозою опромінення.

Еквівалентна доза (H) визначається як добуток поглинутої дози (D) даного виду випромінювання на середнє значення зважуючого фактору (коефіцієнта якості) йонізуючого випромінювання (WR), у даному елементі — об’єму біологічної тканини.

Значення WR для різних видів випромінювань представлено в таблиці 3.1. Ця доза є мірою вираженості стохастичних ефектів опромінення. Її застосовують для оцінки радіаційної небезпеки хронічного опромінення випромінюванням довільного складу (і гострого опромінення дозою менше ніж 0,25 зіверт) і визначають за формулою: H = DWR.

За одиницю еквівалентної дози в СІ прийнято 1 зіверт (1 Зв). 1 зіверт дорівнює такій еквівалентній дозі, при якій значення добутку поглинутої в біологічній тканині дози йонізуючого випромінювання і середнього значення зважуючого фактору для цього випромінювання дорівнює 1 Дж/кг. Позасистемною одиницею є 1 бер (біологічний еквівалент рентгена): 1 бер = 0,01 Зв.

З означення випливає, що для випромінювання з WR = 1 еквівалентна доза 1 Зв реалізується при поглинутій дозі 1 Гр, тобто для цього випадку 1 Зв = 1 Гр. Якщо WR відрізняється від 1, то еквівалентну дозу 1 Зв буде сформовано в біологічній тканині при значенні поглинутої дози в ній рівною

Допускається підсумовування еквівалентних доз для оцінки загального рівня опромінення за тривалий інтервал часу, якщо кожна разова доза, що мала місце при фракціонованому гострому опроміненні за цей час, не перевищувала 0,25 Зв.

Таблиця 3.1

Значення радіаційних зважуючих факторів (WR)

Вид випромінювання і діапазон енергії

WR

Фотони, усі енергії (включаючи гамма- і рентгенівське випромінювання)

1

Електрони (позитрони) і мюони, усі енергії

1

Протони з енергією > 2 МеВ

5

Нейтрони з енергією < 10 кеВ

5

Нейтрони з енергією від 10 кеВ до 100 кеВ

10

Нейтрони з енергією від 100 кеВ до 2 МеВ

20

Нейтрони з енергією від 2 МеВ до 20 МеВ

10

Нейтрони з енергією > 20 МеВ

5

α-частинки, уламки ділення, важкі ядра віддачі

20

Для змішаного випромінювання еквівалентна доза визначається як сума добутків поглинутих доз окремих видів випромінювань на відповідні значення зважуючих факторів цих випромінювань.

При заданій еквівалентній дозі опромінення вірогідність наслідків залежить від опромінюваної ним тканини або органу. Тому було введено ще один коефіцієнт, що враховує специфіку різних тканин з точки зору вірогідності індукції в них наслідків опромінення, — тканинний зважуючий фактор (WT). Прийняті на сьогодні значення WT подано в таблиці 3.2 і використовуються для розрахунку ефективної дози.

Таблиця 3.2

Значення тканинних зважуючих факторів (WT)

Тканина або орган

WT

Гонади (статеві залози)

0,20

Червоний кістковий мозок

0,12

Товста кишка

0,12

Легені

0,12

Шлунок

0,12

Сечовий міхур

0,05

Молочна залоза

0,05

Печінка

0,05

Стравохід

0,05

Щитоподібна залоза

0,05

Шкіра

0,01

Кісткова поверхня

0,01

Інші тканини і органи (наднирки, нирки, головний мозок, дихальні шляхи позагрудної області, м’язи, матка, селезінка, тонка кишка, підшлункова і вилочкова залози)

0,05

Усе тіло

1,00

На відміну від стохастичних ефектів, нестохастичні (детерміновані) виявляються лише при отриманні певних доз (табл. 3.3).

Таблиця 3.3

Значення доз, нижче від яких виключено виникнення нестохастичних (детермінованих) ефектів

Орган, тканина

Нестохастичний (детермінований) ефект

Доза, Гр

Усе тіло

Блювота

0,5

Кістковий мозок

Смерть

1,0

Шкіра

Опік, тимчасова епіляція

3,0

Легені

Пневмонія

5,0

Щитоподібна залоза

Порушення, деструкція залози

10

Абсолютні значення факторів підібрано так, щоб їхнє сумарне значення дорівнювало одиниці. Це дає змогу трактувати тканинні зважуючі фактори як набір коефіцієнтів, що визначають відносні вклади відповідних органів в сумарний вихід стохастичних наслідків, що виникають при рівномірному опроміненні всього організму. Найбільш радіочутливим органом по критерію виходу цих наслідків є статеві залози, повністю відповідальні за генетичні ефекти і частину соматичних стохастичних наслідків опромінення.

Фізичний зміст поняття ефективної дози такий: значення ефективної дози (Е) відповідає такому рівню рівномірного опромінення всього організму, при якому сумарний вихід стохастичних наслідків опромінення буде таким самим, як і при локальному опроміненні органу (T) еквівалентною дозою величиною (H): E = HWT.

За одиницю ефективної дози в СІ також було прийнято 1 зіверт (1 Зв). При рівномірному опроміненні — ефективна доза дорівнює еквівалентній дозі. При нерівномірному опроміненні — ефективна доза дорівнює добутку еквівалентної дози і тканинно зважуючого фактору, або дорівнює такій еквівалентній дозі (при рівномірному опроміненні), яка створює такий самий ризик небажаних наслідків.

Виміряти ефективну дозу опромінення організму неможливо. Її розраховують як суму добутків еквівалентних доз (H) в окремих органах і тканинах на відповідні значення зважуючих факторів (WT), указаних в таблиці 2.

Ефективна доза є мірою виходу стохастичних наслідків біологічної дії малих доз опромінення цього індивіда, тобто вона є міра індивідуальної небезпеки, обумовленої дією на організм малих доз йонізуючих випромінювань.

У дозиметрії для фотонного випромінювання введено експозиційну дозу. Вона дорівнює абсолютному значенню повного заряду йонів одного знака, утворених в одиниці маси повітря при повному гальмуванні електронів і позитронів, звільнених фотонами (рентгенівським випромінюванням). Тобто це повітряно еквівалентна одиниця дози, яка не призначена для дозиметрії в речовині.

Одиницею експозиційної дози в СІ є 1 кулон/кг (1 Кл/кг), позасистемною одиницею є 1 рентген (1 Р). 1 Р = 2,58 · 10-4 Кл/кг (точно).

Експозиційну дозу можна використовувати для наближеної оцінки поглинутої та експозиційної доз у речовині.

Сьогодні існують такі види захисту від йонізаційного випромінювання.

Захист часом. Що менше час контакту із джерелом йонізуючого випромінювання, то менша отримана доза опромінення.

Захист відстанню. Що далі від джерела йонізуючого випромінювання, то менша отримана доза. Залежність зворотно квадратична, тому що від джерела промені йдуть радіально і розподіляються по сфері, площа якої пR2. Отже, густина потоку буде зменшуватися пропорційно квадрату відстані. Використовують прилади дистанційного управління.

Захист екранами. Їх виготовляють із щільних високоатомних матеріалів (цегла, бетон, баритобетон). Якщо потрібен компактний захист, використовується свинець або високоатомний уран (у терапевтичних апаратах). Інколи використовуються більш прості матеріали. Наприклад, окуляри для захисту від β-променів виготовляють з органічного скла замість просвинцьованого скла, тому що β-частинки будуть гальмуватися. Тобто для різних видів випромінювання використовуються різні екрани. Альфа-промені може затримати тонкий бар’єр, наприклад аркуш паперу; високоенергетичні β-промені не можуть пройти крізь долоню людини, також їх може затримати пластинка алюмінію товщиною кілька мм; γ-промені здатні проникати глибоко в речовину або проходити крізь товсті бар’єри. Нейтрони краще поглинаються низькоатомними екранами — водою, парафіном.

Захист кількістю. Що з меншою потужністю джерела працює персонал, то меншою буде доза опромінення. Лікарі обов’язково захищають хворого від опромінення, яке йому не потрібне (що менше використовується радіоактивного препарату для діагностики, то краще і для персоналу, і для оточуючих). У рентген-апараті використовується електронно-оптичний підсилювач. Щоб зображення було достатньо яскравим при меншому потоці променів, а доза на хворого і лікаря була меншою, на рентген-трубку підводять струм не 3-4 мА, а 0,3-0,4 мА, і цього достатньо для отримання якісного зображення. Особливо це важливо під час профілактичних медоглядів.

Засоби захисту бувають: колективні (стіни, вентиляція, ширми), індивідуальні (окуляри, щиток для захисту обличчя, пальчатки, фартух з просвинцьованої гуми, пластикові бахіли, маска, скафандр (мал. 3.28)).

Мал. 3.28

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Що таке дозиметрія?
  • 2. Сформулюйте означення поглинутої дози випромінювання, еквівалентної дози. Які їхні одиниці?
  • 3. Як діє йонізаційне випромінювання на органи людини?
  • 4. Які є види захисту від йонізаційного випромінювання?

Дослідіть, як діє йонізаційне випромінювання на живі організми.