1.3.3. Эквивалентная доза Для учета поражающего действия на человеческий организм различных излучений применяют понятие эквивалентная доза. Эквивалентная доза излучения – это произведение поглощенной в ткани дозы излучения на коэффициент качества этого излучения
Д
экв
= К Д
погл Единицей эквивалентной дозы служит Зиверт. Для гамма- и бета- излучений Зв = 1 Гр для альфа излучения 1 Зв = 1Гр/К = 100 рад к = 100 бэр/К. При воздействии гамма- и бета- излучений на биологическую ткань эквивалентная доза будет равна поглощенной дозе
13
Д
экв
= Д
погл
= Д
эксп Для альфа-излучения это равенство не выполняется. Мощность эквивалентной дозы
Р
экв
= dД
экв
/dt; единицы измерения Зв/с; бэр/час При облучении смешанным излучением эквивалентная доза определяется как сумма произведений поглощенных доз отдельных видов излучений Дна соответствующие коэффициенты качества К
Д
экв
= К Д
погл i Для оценки воздействия ионизирующего излучения навесь организм вводится понятие эффективной эквивалентной дозы облучения. Она определяется соотношением
Д
эф
= n
i =1
∑Д
экв i
W
i где Д
эквi
– среднее значение эквивалентной дозы облучения в ом органе и ткани человека
W
i
– коэффициент радиационного риска или весовой множитель излучения Эффективная эквивалентная доза измеряется в Зв. Внесистемная единица БЭР (биологический эквивалент рада. Она позволяет сравнивать различные виды излучений по одинаковому биологическому эффекту. 1 БЭР – это поглощенная доза любого вида ионизирующего излучения, которая обладает такой же эффективностью, что и 1 рад квантового излучения со средней удельной ионизацией 100 пар ионов на 1 мкм толщины слоя воды. Значения коэффициента радиационного риска для разных органов и тканей человеческого организма представлены в таблице Таблица 1 Значения коэффициента радиационного риска для разных органов и тканей человеческого организма Значения весовых множителей w i
для различных органов и тканей Ткань или орган Ткань или орган Половые железы
0,20 Печень
0,05 Красный костный мозг
0,12 Пищевод
0,05 Толстый кишечник
0,12 Щитовидная железа
0,05 Легкие
0,12 Кожа
0,01 Желудок
0,12 Поверхность костей
0,01 Мочевой пузырь
0,05 Остальные органы
0,05 Молочные железы
0,05
14 Просуммировав индивидуальные дозы по группе облученных людей можно получить коллективную эффективную эквивалентную дозу. Она измеряется в человеко-зивертах (чел-Зв): Н = n
i =1
∑Д
экв i
N
i где N
i
–
число лиц, получивших эквивалентную дозу Д
экв Таким образом, коллективная эффективная эквивалентная доза – это сумма индивидуальных эквивалентных дозу данной группы людей. Коллективную дозу можно рассчитать для отдельного поселка, области, республики. Коллективная доза – это объективная оценка масштаба радиационного поражения. Наиболее часто критерием при аварийной ситуации служит так называемая летальная доза (ЛД). ЛД – это доза, определяющая процент смертности после радиационного облучения. Например ЛД
50
– доза, вызывающая гибель 50 % облученных ЛД
50 30
– доза, вызывающая гибель
50 % облученных в течение 30 суток ЛД
100 30
– доза, вызывающая гибель
100 % облученных в течение 30 суток. Кроме того, одна и та же доза, но полученная за минуту или десятилетие может оказать различное влияние на организм. Поэтому по длительности и интенсивности доз излучения при облучении различают острое и пролонгированное (длительное, однократное и многократное облучения. Острое – это кратковременное облучение при высокой мощности дозы, например, децигрей в минуту Пролонгированное – облучение при низкой мощности дозы, например, доли грея в час. Как острое, таки пролонгированное облучения могут быть однократными и многократными (фракционированными. Предельно допустимая доза (ПДД) – определена международной комиссией по радиологической защите (МКРЗ) для человека как доза, которая будучи накоплена (аккумулирована) в течение длительного периода времени или получена в результате однократного облучения не вызывает отклонений в состоянии здоровья (те. несет малую вероятность возникновения соматических или генетических поражений. В настоящее время после аварии на ЧАЭС принята международная норма радиационной безопасности, которая допускает дозу облучения
0,1 бэр/год, что равно 1 мЗв/год. Таким образом, за жизнь человека предельная доза накопления не должна превышать 7 бэр или 70 мЗв.
15 Таблица 2 Основные радиологические величины и единицы Величина Наименование и обозначение единицы измерения Соотношение между
единицами Внесистемные Си Активность нуклида, А Кюри (Ки, Ci)
Беккерель
(Бк, Bq)
1 Ки = х 10
Бк
1 Бк = 1 расп/с
1 Бк = 2,7х10
-11
Ки Экспозиционная доза, Х, Д
эксп
Рентген (Р, R)
Кулон/кг
(Кл/кг, C/kg)
1 Р = 2,58х10
-4
Кл/кг
1 Кл/кг = х Р Поглощенная доза, D, Д
погл.
Рад (рад, rad) Грей (Гр, Gy)
1 рад = 10
-2
Гр
1 Гр = 1 Дж/кг Эквивалентная доза, Н, Д
эквив.
Бэр (бэр, rem)
Зиверт (Зв, Sv)
1 бэр = 10
-2
Зв
1 Зв = 100 бэр Рис. 3. Связь понятий поля, дозы, радиобиологического эффекта. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. Основные принципы защиты Теоретической и практической основой дозиметрии являются закономерности взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. На них основываются методы расчета защиты и методы регистрации ионизирующего излучения.
16 Для каждого излучения характерен свой способ взаимодействия с веществом, однако, основным итогом любого типа взаимодействия является ионизация или возбуждение атомов (молекул) вещества. Если энергия, переданная атому или молекуле излучением, меньше энергии, необходимой для отрыва электронов, то ионизации не происходит, но могут возникнуть возбужденные атомы или молекулы. Они обладают избыточной энергией. При их переходе в основное состояние эта энергия освобождается в виде излучения, или переход возможен без излучения. Ионизирующее излучение – это высокоэнергетическое излучение, что определяет его специфику взаимодействия с веществом. Упрощенно механизм взаимодействия можно представить следующим образом ионизирующее излучение, проходя через вещество, взаимодействует с орбитальными электронами и ядрами атомов и теряет энергию. Потери энергии при этом обусловлены в основном следующими процессами Ионизация (отрыв электрона от атома) и возбуждение (переход электронов на новый энергетический уровень) молекул и атомов поглощающей среды (ионизационные потери энергии) Торможение частиц в поле ядра (радиационные потери) Упругое рассеяние излучения на орбитальных электронах и ядрах атомов поглощающей среды. При этом первоначальные частицы не исчезают, новые частицы не возникают, а внутренняя энергия частиц не изменяется Ядерные реакции. В результате такого взаимодействия появляются новые частицы или исчезают первоначальные Каждый из указанных процессов имеет определенную вероятность и определяется видом и величиной энергии излучения, с одной стороны и поглощающими свойствами среды, с другой стороны. Поглощающее же действие среды в радиационной безопасности характеризуется линейными массовым пробегами, величиной слоя половинного ослабления. Основной принцип защитных мероприятий – обеспечение снижения суммарной дозы от всех источников как внешнего,
таки внутреннего облучения до уровня, не превышающего ПДД. В общем случае к основным способам защиты от ионизирующего излучения относятся
1. Физические способы
- защита временем
- защита расстоянием
- защита с использованием экранов (материалов)
- средства индивидуальной защиты
17 2. Химические способы
- радиопротекторы и радиосорбенты
3. Некоторые другие способы, в том числе биологические. Особенности взаимодействия альфа-излучения с веществом и принципы расчета защиты от внешнего альфа излучения
Альфа-излучение – это поток положительно заряженных частиц, имеющих скорость порядка 10 7
мс. Альфа-распад наблюдается только у тяжелых радионуклидов, у которых а > 200, Z > 82. схема альфа-распада имеет вид
HeYXazaz4 2
4 Энергия альфа частиц составляет 2–9 МэВ. При альфа-распаде массовое число уменьшается на 4 единицы, а заряд изменяется на 2 единицы.
Альфа-излучение является короткопробежным и поглощается алюминиевой пластинкой толщиной до 0,05 мм. Пример – плутоний –
100% альфа-излучение. При прохождении через вещество энергия альфа-частицы в основном расходуется на ионизацию и возбуждение атомов поглощающей среды. По мере прохождения через вещество энергия частиц уменьшается и возрастает вероятность взаимодействия с электронами атомов. Поэтому вдоль трека частицы значение ЛПЭ возрастает, а ионизация достигает своего максимума в конце пробега. При этом энергия альфа-частицы уменьшается настолько, что она уже неспособна производить ионизацию, и, присоединив к себе 2 электрона, превращается в атом гелия. Например, альфа-частица с энергией 4,8 МэВ в воздухе вначале пути образует около
20 000 пар ионов на 1 мм пути, в конце пути – 60 000 пар ионов. В среднем альфа-частица с энергией 7 МэВ образует 2 10 5
пар ионов Полная ионизация для альфа-частиц составляет несколько сот тысяч пар ионов. Чем больше энергия альфа-частицы, тем больше ее пробеги больше образованных пар ионов Длина
пробега зависит от ее начальной скорости, а также свойств поглощающего вещества порядкового номера, атомного веса и плотности. Пробег альфа частицы практически прямолинеен, т. к. большая ее масса препятствует отклонению под действием электромагнитных сил атомов вещества и составляет в воздухе несколько сантиметров (до 10 см, а в биологической ткани – не более 100 мкм.
18 При каждом акте ионизации альфа-частица выбивает из атома один или несколько электронов, наиболее быстрые из которых (те. обладающие наибольшей энергией) способны создать вторичную ионизацию. При больших энергиях альфа-частиц в веществе протекают разнообразные ядерные реакции. Расчет защиты от внешнего альфа-излучения достаточно прости основан на определении максимального пробега альфа-частиц в воздухе или в любом веществе. Эмпирическим путем установлены следующие формулы для воздуха (при t = 15 С, p = 760 мм рт. ст
R
α
= 0,318 E
α
3/2
, см – формула Гейгера для любого вещества с атомной массой а
R
α
= 10
-4
ρ
-1
а E
α
3/2
, см – формула Брэгга
Связь между двумя формулами
R
α
= 5,6 10
–4
R
возд а где R
α
– линейный пробег, см
ρ – плотность вещества, г/куб см
E
α
– энергия альфа-частиц Краткими рекомендациями по защите от внешнего облучения альфа- частицами могут быть следующие
- достаточно находиться на расстоянии порядка 10 см от источника альфа-излучения
- специальных средств индивидуальной защиты не требуется одежда, халаты, перчатки практически полностью защищают от внешнего альфа-излучения. Реальную опасность альфа-частицы представляют при попадании внутрь организма, где происходит непосредственный контакт излучения с тканями желудочно-кишечного тракта, верхних дыхательных путей, легких и др. В этой связи защита от внутреннего облучения альфа- радионуклидами должна быть направлена на предотвращение попадания их внутрь организма. Особенности взаимодействия бета-излучения с веществом и принципы расчета защиты от внешнего бета излучения
Бета-излучение – это поток отрицательно заряженных частиц (электроны) или положительно заряженных частиц (позитроны. схема бета- распада имеет вид
e
Y
X
a
z
a
z
0 Пример
Ba
Cs
137 56 137 55
19 Электрон может существовать свободным неограниченно долгое время. Позитрон – порядка 10
–9
с. Он захватывает орбитальный электрон и аннигилирует, те. происходит образование двух гамма-квантов: e
+
+ e
–
→ 2
Бета-частицы легче альфа-частиц враз, скорость бета-частиц близка к скорости света. Энергия бета-частиц находится в интервале
18 кэВ – 16 МэВ (мягкое-жесткое бета-излучения). В отличие от альфа- излучения бета-излучение имеет сплошной энергетический спектр, те. в пучке бета-частиц будут присутствовать частицы с энергией от 0 до максимального значения. Это объясняется тем, что в каждом акте распада энергия с разной вероятностью распределяется между испускаемыми частицами.
Бета-излучение также относят к короткопробежному, оно поглощается слоем алюминия толщиной до 3 мм Пример – Стронций – 100% -излучение Калий 10 % -квантов и 90% - частиц
Ar
K
40 18 40 Процесс прохождения бета-частиц через вещество имеет ряд особенностей вследствие более низкой массы по сравнению с альфа-частицами. Однако, ионизационные потери бета-частиц, как и для альфа-частиц, связаны в первую очередь с ионизацией и возбуждением атомов поглотителя. Вероятность взаимодействия бета-частиц с веществом значительно меньше, чем для альфа-частиц.
1. ионизация При ионизации бета-частицы выбивают орбитальные электроны, которые могут производить вторичную ионизацию, так что полная ионизация представляет их сумму. На 1 мкм пути в веществе бета-частица создает несколько сотен пар ионов. Замедленный электрон остается свободным или присоединяется к атомами переходит в связанное состояние, а позитрон – аннигилирует. Потери энергии при ионизации зависят от плотности вещества, атомного номера и массового числа
(ЛПЭ)
иониз.
= (dE/dx)
иониз
ρ z а 2. радиационные потери Пролетая вблизи ядра атомов поглотителя бета-частицы тормозятся и меняют направление движения. В результате торможения энергия электронов уменьшается и испускается фотонное излучение, которое называют тормозным фотонным излучением с непрерывным спектром. оно возникает в рентгеновских трубках, в ускорителях ив веществах, окружающих источники бета- излучений, в результате изменения кинетической энергии заряженных частиц. Радиационные потери пропорциональны энергии электронов и квадрату атомного номера элемента поглотителя
(ЛПЭ)
рад
= (dE/dx)
рад Е, z
2
(ЛПЭ)
полн
= (ЛПЭ)
иониз
+ (ЛПЭ)
рад
Для бета-частиц больших энергий (Е МэВ) отношение радиационных потерь к ионизационным потерям определяется выражением
(ЛПЭ)
рад
/(ЛПЭ)
иониз
= Е Z /800 Из этого выражения следует, что при небольших значениях энергии электронов основная роль принадлежит ионизационным потерям, а при большой энергии – преобладают радиационные потери. При некоторой критической энергии
Е
кр
= 800/Z , тогда (ЛПЭ)
иониз
= (ЛПЭ)
рад радиационные потери в свинце составляют 10%, Е
кр
= 10 МэВ валю- минии 1,5 %
3. Так как масса бета-частиц невелика, то для них характерен эффект рассеяния. Рассеяние происходит при соударениях с орбитальными электронами атомов вещества поглотителя. Рассеяние зависит от энергии бе- та-частиц и от природы поглотителя с уменьшением энергии бета-частиц и с увеличением атомного номера вещества поглотителя расстояние увеличивается
(ЛПЭ)
рас
= (dE/dx)
рас Ев диапазоне энергий 10 4
– 10 6
эВ вероятность упругих столкновений составляет, ионизации – 35 % и возбуждения – 60 % в результате рассеяния в поглотителе путь бета-частиц не является прямолинейным, как в случае альфа-частиц. Истинная длина пути в поглотителе может в 1,5–
4 раза превосходить их пробег. Траектория электрона в веществе имеет сложный вид, связанный с характером взаимодействия вначале она прямолинейна, в конце – извилистая, ломаная. Рассеяние бета-частиц следует учитывать при измерении бета- активных препаратов на радиометрических установках отраженные от подложки бета-частицы попадают в регистрирующее устройство, что приводит к завышенным результатам.
4. ядерные реакции характерны только для бета-частиц с энергией более 20 МэВ (в ускорителях) Принципы защиты от бета-излучения основаны на расчетах защиты расстоянием и защитных экранах.
1. рассмотрим расчет защиты расстоянием по максимальному пробегу а) в воздухе б) в веществе
21 при этом рассмотрим случай монохроматического пучка бета-частиц, те. имеющих одинаковое значение энергии В воздухе пробег бета-частиц зависит от энергии и составляет от десятков до нескольких сотен сантиметров. Для частиц с энергией 0,15 МэВ R ≈ 22 см, с энергией 1,7 МэВ R ≈
≈ 610 см. Для приблизительной оценки линейных пробегов бета-частиц ввоз- духе пользуются следующей формулой
R
возд
≈ 450 E
β
, см Не всегда защита расстоянием эффективна от бета-излучения,
тогда пользуются защитными экранами, толщину которых рассчитывают также по максимальному пробегу бета-частиц в веществе, из которого сделан экран. Наиболее распространенным материалом для защиты от бета- излучения является алюминий. Максимальный пробег бета-частиц с одинаковой энергией в алюминии рассчитывается последующим формулам
R
ал
= 0,15E
β
– 0,0028, г/см
2 0,03 ≤ E
β
≤ 0,15 МэВ
R
ал
= 0,407 E
β
1,38
, г/см
2 0,15 ≤ E
β
≤ 0,8 МэВ
R
ал
= 0,542E
β
– 0,133, г/см
2 0,8 ≤ E
β
≤ 3 МэВ
R
ал
= 0,571E
β
– 0,161, г/см
2
E
β
> 3 МэВ По массовому пробегу бета-частиц в алюминии R
ал можно рассчитать их массовый пробег в любом веществе х хал Z/a)
ал х, г/см
2 где Z – атомный номер вещества a – атомная масса массовый пробег связан с линейным следующим соотношением
R
лин
= R
мас
/ρ или маслин, тогда оказывается, что пробег бета-частиц в любой среде примерно во столько же раз меньше пробега в воздухе, во сколько плотность данной среды больше плотности воздуха х /R
возд
= ρ
возд
/ρ
х В случае потока бета-частиц со сплошным энергетическим спектром расчет защиты с использованием экрана проводят следующим образом. Установлено, что ослабление плотности потока бета-частиц происходит постепенно, т. к. бета-частицы различной энергии будут поглощаться различными слоями поглотителя. Ослабление плотности потока бета-частиц подчиняется экспоненциальному закону
φ = φ
0
exp(–μ
m d)
=φ
0
e
–μ d где φ
0
– плотность потока бета-частиц, попадающих на экран (первоначальная плотность потока, бета-част/(кв. см с)
22
φ – плотность потока бета-частиц за слоем поглотителя толщиной d
μ
m
– массовый коэффициент ослабления, кв. см/г d – толщина защиты, г/кв. см при толщине защиты, равной слою половинного ослабления d = ∆
1/2
φ
0
/2 = φ
0
exp(–μ
m
∆
1/2
) exp(–μ
m
∆
1/2
) = 1/2
μ
m
∆
1/2
= ln2 ∆
1/2
= ln2/ μ
m
= 0,693/ μ
m массовый коэффициент ослабления в алюминии может быть рассчитан из эмпирической формулы
μ
m
= 22/E
1,33
maxβ
, кв. см/г
(0,5 < Е < 6 Мэв), тогда
∆
1/2
= 0,032 E
β
г/см
2
Таким образом, для защиты от внешнего бета-излучения используют два основных принципа расчет защиты расстоянием и защитные экраны. Расчет толщины экрана не представляет трудностей, однако необходимо учитывать тот факт, что при прохождении бета-излучения через вещество может возникать дополнительное тормозное излучение, которое существенно увеличит дозу облучения. Интенсивность тормозного излучения зависит от материала защиты и от энергии бета-излучения. Чем больше атомный номер вещества, из
которого делается защитный экран, тем больше тормозное излучение. Поэтому при выборе экрана необходимо брать вещество с малым атомным номером Z, например алюминий, оргстекло, пластмасса и др. В случае высоких энергий бета-частиц тормозное излучение наблюдается ив легких материалах. Тогда используют дополнительную защиту из тяжелых материалов.
Скачать 0.99 Mb.