1.3. Основные физико-дозиметрические величины и единицы их измерений
Если источник ионизирующего излучения находится вне организма и облучает его снаружи, говорят о внешнем облучении. Если же источник ионизирующего излучения оказывается внутри организма (попадая туда с воздухом, пищей или водой), то он создает внутреннее облучение. И в том, и в другом случае величина любого эффекта, развивающегося в результате воздействия ионизирующих излучений, определяется, прежде всего, количеством переданной облучаемому объекту, в том числе, организму человека, энергии. В связи с этим для количественной характеристики уровня воздействия ионизирующего излучения используют физические величины: доза, мощность дозы, активность.
Экспозиционная доза (Х) – это суммарный заряд частиц с электрическим зарядом одного знака, образовавшихся в единичном объеме воздуха вследствие его ионизации излучением. Определяется она по формуле:
Х = dQ / dm,
где dQ – суммарный заряд всех ионов одного знака, возникающих в воздухе при полном торможении всех вторичных электронов, образованных фотонами ионизирующих излучений в малом объеме пространства, Кл; dm – масса воздуха в этом объеме, кг.
В системе СИ единицей экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Более часто, однако, применяется внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р): 1 Кл/кг = 3876 Р и наоборот: 1 Р = 2,58 ⋅ 10-4 Кл/кг.
Изменения, вызываемые излучением в воздухе и в других средах (в том числе в тканях организма), количественно различны. Это связано с разным количеством энергии, передаваемой излучением одинаковым по массе количествам разных веществ при одной и той же экспозиционной дозе, измеренной в воздухе. Кроме того, в единицах экспозиционной дозы может быть измерено лишь фотонное (рентгеновское и гамма) излучение. Учесть это можно, выражая количество ионизирующих излучений в единицах поглощенной дозы (D). Физический смысл поглощенной дозы – количество энергии, переданной излучением единичной массе вещества: D = dE / dm, dm → 0.
В системе СИ поглощенную дозу выражают в джоулях на килограмм или греях (Гр): 1 Гр = 1 Дж/кг.
Часто применяют внесистемную единицу поглощенной дозы – рад, являющуюся аббревиатурой слов «radiation adsorbed dose». Рад численно равен сантигрею (1 рад = 10–2 Гр).
Если поглощенная доза распределяется в каком-то одном участке тела, говорят о локальном облучении, а если облучению подвергается все тело или большая его часть – о тотальном облучении. Вариантами тотального облучения являются равномерное (неравномерность по дозе на отдельные части тела не превышает 10 %) и неравномерное облучение.
Для сравнительной оценки биологического действия различных видов ионизирующих излучений введено понятие эквивалентной дозы (Н). Она определяется как поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения:
H = D ⋅ Q,
где D – поглощенная доза в данной точке ткани, а Q – средний коэффициент качества излучения, который устанавливается для каждого вида излучения в зависимости от его ЛПЭ.
В системе СИ единицей эквивалентной дозы служит зиверт (Зв), а внесистемной единицей является бэр (аббревиатура слов «биологический эквивалент рада»): 1 Зв = 100 бэр.
Эквивалентную дозу, как правило, используют для оценки опасности пролонгированного или хронического лучевого воздействия на организм. Для рентгеновского, γ- и β-излучений 1 Зв соответствует поглощенной дозе в 1 Гр.
Следует также учитывать, что одни органы и ткани более чувствительны к действию радиации, чем другие. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения вероятность возникновения рака в легких больше, чем в щитовидной железе. Облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических последствий. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с различными коэффициентами. Это положение легло в основу определения эффективной дозы, которая также измеряется в зивертах (Зв). Доза эффективная (E) – это величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности.
Для оценки опасности ионизирующих излучений для группы людей или для популяции в целом следует пользоваться понятием коллективная эффективная доза. Она рассчитывается как сумма индивидуальных эффективных доз, полученных группой людей, и измеряется в человеко-зивертах (чел.-Зв). Доза эффективная коллективная – это мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения, равная сумме индивидуальных эффективных доз.
Для характеристики интенсивности воздействия ионизирующих излучений используют величину мощности дозы излучения (Р). Мощность дозы понимают как дозу (экспозиционную, поглощенную или эквивалентную), регистрируемую за единицу времени.
Непосредственно измеряют, как правило, мощность экспозиционной дозы. Ее единицей в системе СИ является кулон, деленный на килограмм в секунду [Кл/(кг⋅с)], т.е. ампер на килограмм (А/кг). Весьма часто пользуются внесистемной единицей мощности экспозиционной дозы – рентген в час (Р/ч) и ее производными (мР/ч, мкР/ч). При хронических воздействиях недифференцированных потоков ионизирующих излучений используют единицы мощности эквивалентной дозы: зиверт в год (Зв/год) или бэр в год (бэр/год).
В зависимости от мощности дозы и времени действия ионизирующего излучения различают кратковременное, пролонгированное и хроническое облучение. Кратковременным облучением считается импульсное воздействие γ-нейтронного излучения ядерного взрыва, а также облучение с мощностью дозы свыше 0,02 Гр/мин. Непрерывное радиационное воздействие в течение нескольких месяцев или лет называют хроническим облучением, а промежуточное положение между кратковременным и хроническим – занимает пролонгированное облучение. Временные границы между кратковременным, пролонгированным и хроническим облучением являются весьма условными. Если не менее 80 % всей дозы организм человека получает не более чем за 4 сут и перерывов в облучении нет или они очень непродолжительны (измеряются минутами, часами), то такое облучение называют однократным, или острым. Острое облучение в больших дозах возможно при действии проникающей радиации ядерного взрыва, преодолении зоны радиоактивного заражения местности, нахождении вблизи разрушенного атомного реактора.