Глава 4. Дозовые характеристики полей излучений.

 

Дифференциальные и интегральные характеристики полей излучений определяют поведение рассматриваемого излучения, не учитывая процессы взаимодействия его с веществом, через которое оно распространяется. Для оценки взаимодействия ионизирующей радиации с веществом, в частности, для оценки его воздействия на организм человека, вводятся дозовые характеристики полей излучений. Таким образом, дозовые характеристики учитывают процессы взаимодействия излучения с веществом и позволяют оценивать последствия этого взаимодействия.

   В настоящее время используются единицы и терминология, принятые в 1980 г. Международной Комиссией по Радиационным Единицам и измерениям (МКРЕ), одобренные в 1990 г. и 2007 г. Международной Комиссией по Радиационной Защите (МКРЗ) и закрепленные в Российской Федерации Нормами Радиационной Безопасности НРБ-99/2009. В дальнейшем изложении будет использоваться терминология, рекомендуемая этими документами.

Условно вводятся 2 класса дозовых величин:

Базисные, определяемые при отсутствии каких-либо возмущающих поле излучений эффектов. В частности, в качестве возмущающих эффектов может выступать тело человека или имитирующий его фантом. Таким образом, базисные дозовые характеристики поля полностью определяются только описанными выше (гл.2) характеристиками невозмущенного исходного поля излучений.

Фантомные величины используются для оценки дозовых характеристик, отражающих воздействие излучений на человеческий организм. По сравнению с базисными они учитывают изменения характеристик поля при введении в это поле тела человека или имитирующего его фантома. Эти изменения связаны с поглощением излучения вносимым объектом, отражением излучения от него, характером формирования дозы, оказывающей реальное воздействие на организм человека.

 

Основные базисные дозовые характеристики полей излучений

Поглощенная доза

Наиболее ярким проявлением взаимодействия излучения с веществом независимо от его вида является переданная или поглощенная в веществе энергия излучения. Основной физической мерой взаимодействия излучения с веществом является средняя энергия, переданная излучением единице массы облучаемого вещества. Величиной, используемой для измерения этой энергии, является поглощенная доза D, определяемая как

 

                                         (4.1)

 

где  средняя энергия ионизирующего излучения, переданная элементарному объему dV вещества, отнесенная к массе вещества dm в этом объеме. Энергия может быть усреднена по любому определенному объему, и в этом случае средняя доза будет равна полной энергии, переданной объему, деленной на массу этого объема.

Строго говоря, записанное выше определение поглощенной дозы, данное в НРБ-99/2009, соответствует не поглощенной энергии в веществе, а именно переданной. Эти две энергии во многих случаях близки друг с другом по абсолютному значению, однако принципиально различаются в силе того, что не вся переданная энергия поглощается в выделенном элементарном объеме. В частности для фотонов, например, передача энергии веществу характеризуется массовым коэффициентом передачи энергии μ_tr^m, а поглощенная массовым коэффициентом поглощения энергии μ_en^m(см. стр. 52) ,и именно последний используется при вычислении поглощенной дозы.

Единицей измерения поглощенной дозы является грей (Гр): Поглощенная доза в 1 Гр равна средней поглощенной энергии 1 Дж в 1 кг вещества (1 Гр = 1 Дж/кг).

Внесистемной единицей, изымаемой из обращения, но используемой в настоящее время, является рад (radiation absortion dose), равный переданной энергии излучения, при которой в 1 г вещества средняя переданная энергия равна 100 эрг. Таким образом, связь между системными и внесистемными единицами: 1Гр=100 рад.

Поскольку передача энергии происходит в результате взаимодействия любого вида излучения (фотоны, электроны, нейтроны и т. д.) с любым веществом, эта дозовая характеристика является универсальной и может использоваться для любого вида излучения, любого вещества, с которым оно взаимодействует, при любых энергиях излучения и любых абсолютных величинах переданной веществу энергии.

Во многих задачах, особенно при экспериментальных исследованиях ионизирующих излучений в качестве вещества, в котором определяется переданная энергия, используется воздух, и тогда регистрируется поглощенная доза в воздухе.

Под переданной энергией понимается разность между суммарной кинетической энергией излучения, внесенной в рассматриваемый объем, и суммарной кинетической энергией излучения выходящего из него. При этом, если в объеме вещества происходили какие-либо ядерные превращения, то к указанной разности добавляется разница между всей выделенной и затраченной при этих превращениях энергии. В этой связи следует различать переданную энергию и поглощенную в веществе энергию. Последняя представляет собой полную энергию излучения, потерянную при взаимодействии без учета изменения энергий при ядерных превращениях. Как правило, в большинстве задач изменениями энергии при ядерных превращениях можно пренебречь и тогда понятия поглощенной и переданной энергии совпадают. Следует также отметить, что переданной веществу энергии присущи статистические флуктуации, т.е. она является стохастической (вероятностной) величиной, поэтому в определении поглощенной дозы используется средняя переданная энергия как среднее значение этой стохастической величины. 

Керма. 

Для оценки воздействия косвенно ионизирующего излучения на облучаемый объект используется понятие керма (kinetik energy realeased in material).

Керма К – есть сумма первоначальных кинетических энергий dW_k всех заряженных ионизирующих частиц, образованных косвенно ионизирующим излучением в элементарном объеме dV вещества, отнесенная к массе вещества dm в этом объеме.

 

                                   (4.2).

 

Единицей измерения кермы является, как и для поглощенной дозы, грей (Гр). Керма в 1 Гр равна сумме начальных кинетических энергий заряженных частиц в 1 Дж, образовавшихся под действием косвенно ионизирующего излучения в 1 кг вещества. Аналогично в качестве внесистемной единицы используется рад.

С одной стороны керма, применимая только для косвенно ионизирующего излучения, не обладает универсальностью поглощенной дозы, с другой стороны возможность более точного определения кинетической энергии образовавшихся заряженных частиц под действием косвенно ионизирующего излучения, чем их поглощенной энергии, создает удобство использования этой дозовой характеристики для фотонов и нейтронов.

Рассмотрим связь между кермой и поглощенной дозой фотонов и нейтронов.

Для фотонного излучения кинетическая энергия образующихся в веществе электронов, определяющая керму, частично поглощается и входит, таким образом, в поглощенную дозу, а частично в виде тормозного излучения покидает элемент объема dV. В итоге для фотонов К>D. При известном флюенсе фотоновс энергией Е, МэВ - φ(E),м^-2 в некоторой точке пространства разница К-D=(μ_tr - μ_en)φ(E)Е*1,6·10^-13, где μ_{tr ,} μ_en – массовые коэффициенты передачи и поглощения энергии фотонов, м²/кг (см. стр. 52) Для фотонов с энергиями ниже 3 МэВ доля энергии электронов, переходящая в тормозное излучение (μ_tr - μ_en) / μ_tr, в легких материалах (ткань, воздух) не превышает 1%, следовательно, поглощенную дозу и керму фотонов в этих материалах можно считать равными. Для тяжелых сред и высоко энергетического излучения разница между кермой и поглощенной дозой возрастает и ею пренебрегать нельзя.

Для нейтронов поглощенную дозу можно представить в виде двух компонент: доза, создаваемая кинетической энергией вторичных заряженных частиц, которую можно в условиях лучевого равновесия принять равной керме, и доза вторичного фотонного излучения, образующегося в результате захвата нейтронов материалом, которая в керму не входит. Таким образом, для нейтронов всегда D>K. Так, например, для ткани в области энергий быстрых нейтронов, где процесс радиационного захвата нейтронов пренебрежимо мал поглощенная доза и керма практически совпадают, однако в области промежуточных и тепловых энергий нейтронов вклад в поглощенную дозу вторичного фотонного излучения столь существенен, что эти величины  различаются в разы. Это наглядно демонстрируют данные, приведенные на рис.4.1.

Рис.4.1. Зависимость от энергии нейтронов максимальной поглощенной дозы в ткани δ_D (фантомной) и тканевой кермы δ_K , рассчитанных на единичный флюенс.

Эквивалентная доза. 

Для оценки воздействия излучений на биологическую ткань или орган, а именно это важно для оценки радиационных эффектов в биологических объектах и человеке, используется эквивалентная доза.Она равна для излучения типа R:

 

                            Н_T,R=D_T,R · w_R             (4.3),

 

где D_T,R  - поглощенная доза в ткани или органе, создаваемая излучением типа R, которая в соответствии с НРБ-99/2009 определяется как усредненная по ткани или органу поглощенная в них доза, а w_R - радиационный взвешивающий коэффициент.     Таким образом, при определении эквивалентной дозы в качестве вещества, с которым взаимодействует излучение, принята биологическая ткань или материал органа, и в отличие от «физической поглощенной дозы в ткани» проводится усреднение поглощенной энергии по всему объему органа или ткани, т.е. предполагается равномерное распределение поглощенной энергии по всему объему органа или ткани, и поглощенная доза в ткани или органе определяется по формуле:

 

                                         (4.4),

 

где W_T – поглощенная энергия в органе или ткани Т , m_T - масса органа или ткани Т.

Установлено, что при одной и той же поглощенной дозе в ткани или органе, создаваемой различными видами излучений и частицами разных энергий одного и того же вида излучения, наблюдаемые биологические последствия будут различаться. Для однозначной интерпретации относительной эффективности различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов используют взвешивающие радиационные коэффициенты w_R, величины которых рекомендуются МКРЗ (Публикация 60 МКРЗ, 1990) и НРБ-99/2009 для различных типов и энергий радиации R, падающей на тело или испускаемой при ядерных превращениях нуклидов внутри тела. Эти коэффициенты приведены в табл. 4.1.

                                                                          Таблица 4.1.

Радиационные взвешивающие коэффициенты w_R

Вид излучения R	Диапазон энергий	wR
Фотоны, электроны, мюоны	Все энергии	1
Нейтроны	< 10 кэВ, > 20 МэВ	5
	10…100 кэВ, 2…20 МэВ	10
	0,1…2 МэВ	20
Протоны	> 2 МэВ, кроме протонов отдачи	5
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра	Все энергии	20

 

Эквивалентная доза в смешанных полях ионизирующего излучения различных видов и энергий, характеризуемых параметром R, может быть представлена в виде суперпозиции эквивалентных доз, создаваемых отдельными видами излучений:

 

                                          (4.5)

Рассмотрим биофизическое оправдание введенного радиационного коэффициентаw_R. Обнаруженная на начальном этапе работ с ионизирующими излучениями зависимость биологических последствий действия разных видов и энергий радиации на биологические объекты при одинаковой поглощенной дозе стала учитываться введением относительной биологической эффективности (ОБЭ) излучения,т.е. все видыизлучений по биологическому проявлению сравнивались с действием фотонного излучения. Под ОБЭ из радиобиологических экспериментов понималось отношение поглощенной дозы образцового рентгеновского излучения с граничной энергией 180 кэВ, вызывающей определенный биологический эффект, к поглощенной дозе рассматриваемого вида излучения, приводящей к тому же биологическому эффекту.

Попытка физически объяснить зависимость радиационных последствий воздействия разных видов радиации на биологические объекты при хроническом облучении в малых дозах привела к обнаружению зависимости ОБЭ от полной линейной передачи энергии (ЛПЭ) излучения ткани. Это позволило, определяя ЛПЭ для любого вида излучения, ввести коэффициент, учитывающий радиационные биологические последствия воздействия этого вида излучения, в том числе и при работе в полях смешанного излучения. Этот коэффициент получил название коэффициента качества излучения (КК) и представлял собой регламентированное значение ОБЭ при хроническом облучении в малых дозах (на уровне предельно-допустимых).

В табл.4.2. представлена зависимость коэффициента качества излучения КК от ЛПЭ мягкой биологической ткани стандартного состава.

Таблица 4.2.

Зависимость коэффициента качества КК от ЛПЭ, Зв/Гр

ЛПЭ, эВ/мкм	0,4	3	10	20	47	155	430	870	>4300
КК	1	1,5	3	5	10	20	10	5	1

 

Видно, что для длиннопробежных частиц (фотоны, электроны, позитроны и β-частицы) КК = 1, для короткопробежных он возрастает до 20. В табл.4.1 приведены в виде взвешивающих радиационных коэффициентов w_R регламентированные значения ОБЭ и КК.

Единицей измерения эквивалентной дозы является зиверт (Зв): 1 Зв = 1 Гр× w_R. Внесистемная единица эквивалентной дозы бэр (биологический эквивалент рада) 1 бэр=1 рад · w_R (1Зв=100 бэр).

Постоянное пополнение информации по биологическим аспектам воздействия разных видов и энергий излучений приводит к пересмотру регламентированных значений взвешивающих радиационных коэффициентов w_R. В частности, анализ имеющихся данных по относительной биологической эффективности различных видов излучения, а также ряд биофизических аспектов, привели к изменениям величин взвешивающих коэффициентов для протонного и нейтронного излучения, причем эти величины согласно Публикации 109 МКРЗ, 2007 г для нейтронного излучения теперь должны задаваться в виде непрерывной функции энергии нейтронов. На рис. 4.2 сравниваются радиационные взвешивающие коэффициенты w_R  для нейтронов, принятые в1990 г. с рекомендуемыми в настоящее время.

Рис.4.2. Зависимость w_R  от энергии нейтронов по данным 1990 г (Публикация 60 МКРЗ) и рекомендуемая c 2007 г. (Публикация 109 МКРЗ)

 

Эффективная доза. 

В случае неравномерного облучения различных органов и тканей организма человека, что реально имеет

                                                        место всегда при внутреннем  облучении организма, для оценки риска неблагоприятных последствий воздействия радиации на организм человека в целом вводится понятие эффективной дозы.Эта доза используется как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности и важности с точки зрения функционирования организма в целом.

Эффективная доза E — сумма взвешенных эквивалентных доз во всех органах и тканях организма:

 

                   E=                        (4.6)

 

В формуле (4.6) w_T- тканевый взвешивающий коэффициент. Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы (w_Т) - множители эквивалентной дозы в органах и тканях, используемые в радиационной защите для учета различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации.В табл. 4.3 приведены рекомендуемые величины тканевых взвешивающих коэффициентов для различных органов организма человека.

Таблица 4.3

Тканевые взвешивающие коэффициенты w_T , рекомендованные НРБ-99/2009

Орган	wT	Орган	wT
Гонады	0,2	Печень	0,05
Толстый кишечник	0,12	Пищевод	0,05
Красный костный мозг	0,12	Щитовидная железа	0,05
Легкие	0,12	Костная поверхность	0,01
Желудок	0,12	Кожа	0,01
Мочевой пузырь	0,05	Клетки кожных поверхностей	0,01
Грудная железа	0,05	Остальное*	0,05

^*Остальное" включает надпочечники, головной мозг, экстраторакальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечную ткань, поджелудочную железу, селезенку, вилочковую железу и матку. В тех исключительных случаях, когда один из перечисленных органов или тканей получает эквивалентную дозу, превышающую самую большую дозу, полученную любым из двенадцати органов или тканей, для которых определены взвешивающие коэффициенты, следует приписать этому органу или ткани взвешивающий коэффициент, равный 0,025, а оставшимся органам или тканям из рубрики "Остальное" приписать суммарный коэффициент, равный 0,025.

 

Понятие эффективной дозы связано с понятием риска, под которым понимается вероятность проявления неблагоприятных последствий (смерть, сокращение продолжительности жизни, потеря трудоспособности и т.д.), как результат воздействия радиации на отдельный орган или организм человека в целом.

Тогда тканевый взвешивающий коэффициент w_T может быть определен как отношение риска неблагоприятных последствий в результате облучения органа Т к риску этих последствий при равномерном облучении всего тела той же дозой. Эффективная доза является мерой вероятности возникновения вредных последствий для здоровья человека при любом облучении: и однородном, и неоднородном, как за счет внешних, так и внутренних источников. Тканевый взвешивающий коэффициент в какой-то мере учитывает разную биологическую чувствительность данного органа к излучению и разную степень важности каждого органа в функционировании организма как целого. Наибольшие значения w_T устанавливаются для жизненно важных органов человека, ответственных за соматические и генетические поражения. В настоящее время признано, что коэффициенты w_T зависят от пола и возраста человека, поэтому должны быть получены отдельно для разных возрастных групп мужчин и женщин на основе дополнительных данных по рискам с возможным в последующем усреднением.

Если эквивалентная доза в органе или ткани H_T одинакова для всех органов и тканей человека, что часто можно принять, например, при внешнем облучении фотонами, то в выражении (4.6) H_T не зависит от T и может быть вынесена из-под суммы по T, тогда H_T = E, и очевидно, что

Единицы измерения эффективной дозы совпадают с единицами измерения эквивалентной дозы: зиверт (Зв) и бэр.

Рис.4.3 демонстрирует выше описанную взаимосвязь дозовых характеристик полей излучений, используемых в радиационной физике и радиационной безопасности.

Наряду с понятиями дозы вводится понятие мощность дозы. Мощность любой дозы есть отношение приращения дозы dD за интервал времени dt к этому интервалу

                                                     (4.7).

 

---

Дата добавления: 2018-05-13; просмотров: 1370; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!