Дозиметрические величины и единицы их измерений

Размещено на http://www.allbest.ru/

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

на тему: «Дозиметрические величины и единицы их измерений»

Единицы измерений

По мере открытий учеными радиоактивности и ионизирующих излучений стали появляться и единицы их измерений. Например: рентген, кюри. Но они не были связаны какой-либо системой, а потому и называются внесистемными единицами. Во всем мире сейчас действует единая система измерений - СИ (система интернациональная). У нас она подлежит обязательному применению с 1 января 1982 г. К 1 января 1990 г. этот переход надо было завершить. Но в связи с экономическими и другими трудностями процесс затягивается. Однако вся новая аппаратура, в том числе и дозиметрическая, как правило, градуируется в новых единицах.

Единицы радиоактивности

В качестве единицы активности принято одно ядерное превращение в секунду. В целях сокращения используется более простой термин - один распад в секунду (расп./с) В системе СИ эта единица получила название беккерель (Бк). В практике радиационного контроля, в том числе и в Чернобыле, до последнего времени широко использовалась внесистемная единица активности - кюри (Ки). Один кюри - это 3,7 * 1010 ядерных превращений в секунду.

Концентрация радиоактивного вещества обычно характеризуются концентрацией его активности. Она выражается в единицах активности на единицу массы: Ки/т, мКи/г, кБк/кг и т.п. (удельная активность). На единицу объема: Ки/м³, мКи/л, Бк/ см³. и т.п. (объемная концентрация) или на единицу площади: Ки/км³, мКи/с м²., ПБк/ м². и т.п.

Единицы ионизирующих излучений

Для измерения величин, характеризующих ионизирующее излучение, исторически первой появилась единица «рентген». Эта мера экспозиционной дозы рентгеновского или гамма-излучений. Позже для измерения поглощенной дозы излучений добавили «рад».

Доза излучения (поглощенная доза) - энергия радиоактивного излучения, поглощенная в единице облучаемого вещества или человеком. С увеличением времени облучения доза растет. При одинаковых условиях облучения она зависит от состава вещества. Поглощенная доза нарушает физиологические процессы в организме и приводит в ряде случаев к лучевой болезни различной степени тяжести. В качестве единицы поглощенной дозы излучения в системе СИ предусмотрена специальная единица - грей (Гр). 1 грей - это такая единица поглощенной дозы, при которой 1 кг. Облучаемого вещества поглощает энергию в 1 джоуль (Дж). Следовательно 1 Гр = 1 Дж/кг.

Поглощенная доза излучения является физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия.

Мощность дозы (мощность поглощенной дозы) - приращение дозы в единицу времени. Она характеризуется скоростью накопления дозы и может увеличиваться или уменьшаться во времени. Ее единица в системе Си - грей в секунду. Эта такая мощность поглощенной дозы излучения, при которой за 1 с. в веществе создается доза излучения в 1 Гр.

На практике для оценки поглощенной дозы излучения до сих пор широко используют внесистемную единицу мощности поглощенной дозы - рад в час (рад/ч) или рад в секунду (рад/с).

Эквивалентная доза. Это понятие введено для количественного учета неблагоприятного биологического воздействия различных видов излучений. Определяется она по формуле Дэкв=Q*Д, где Д - поглощенная доза данного вида излучения, Q - коэффициент качества излучения, который для различных видов ионизирующих излучений с неизвестным спектральным составом принят для рентгеновского и гамма-излучения-1, для бета-излучения-1, для нейтронов с энергией от 0,1 до 10 МэВ-10, для альфа-излучений с энергией менее 10 МэВ-20. Из приведенных цифр видно, что при одной и той же поглощенной дозе нейтронное и альфа-излучение вызывают, соответственно, в 10 и 20 раз больший поражающий эффект. В системе СИ эквивалентная доза измеряется в зивертах (Зв). Зиверт равен одному грею, деленному на коэффициент качества. При Q = 1 получаем

радиация излучение единица измерение облучение

 Бэр (биологический эквивалент рентгена) - это внесистемная единица эквивалентной дозы, такая поглощенная доза любого излучения, которая вызывает тот же биологический эффект, что и 1 рентген гамма-излучения.. Поскольку коэффициент качества бета и гамма-излучений равен 1, то на местности, загрязненной радиоактивными веществами при внешнем облучении 1 Зв = 1 Гр; 1 бэр = 1 рад; 1 рад »1 Р.

Из этого можно сделать вывод, что эквивалентная, поглощенная и экспозиционные дозы для людей, находящихся в средствах защиты на зараженной местности, практически равны.

Мощность эквивалентной дозы - отношение приращения эквивалентной дозы за какой-то интервал времени. Выражается в зивертах в секунду. Поскольку время пребывания человека в поле излучения при допустимых уровнях измеряется, как правило, часами, предпочтительно выражаясь мощность эквивалентной дозы в микрозивертах в час.

Согласно заключению Международной комиссии по радиационной защите, вредные эфекты у человека могут наступать при эквивалентных дозах не менее 1,5 Зв/год (150 бэр/год), а в случаях кратковременного облучения - при дозах выше 0,5 Зв (50 бэр). Когда облучение превышает некоторый порог, возникает лучевая болезнь.

Мощность эквивалентной дозы, создаваемая естественным излучением (земного и космического происхождения), колеблется в пределах 1,5 - 2 мЗв/год и плюс искусственные источники (медицина, радиоактивные осадки) от 0,3 до 0,5 мЗв/год. Вот и выходит, что человек в год получает от 2 до 3 мЗв. Эти цифры примерные и зависят от конкретных условий. По другим источникам, они выше и доходят до 5 мЗв/год.

Экспозиционная доза - мера ионизационного действия фотонного излучения, определяемая по ионизации воздуха в условиях электронного равновесия.

В СИ единицей экспозиционной дозы является один кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемной единицей является рентген (Р), 1Р - 2,58*10-4 Кл/кг. В свою очередь 1 Кл/кг » 3,876*103 Р. Для удобства в работе при перерасчете числовых значений экспозиционной дозы из одной системы единиц в другую обычно пользуются таблицами, имеющимися в справочной литературе.

Мощность экспозиционной дозы - приращение экспозиционной дозы в единицу времени. Ее единица в системе СИ - ампер на килограмм (А/кг). Однако в переходный период можно пользоваться внесистемной единицей - рентген в секунду (Р/с). 1 Р/с = 2,58*10-4 А/кг

Надо помнить, что после 1 января 1990 г. не рекомендуется вообще пользоваться понятием экспозиционной дозы и ее мощности. Поэтому во время переходного периода эти величины следует указывать не в единицах СИ (Кл/кг, А/кг), а во внесистемных единицах - рентгенах и рентгенах в секунду.

Дозиметрические величины и единицы их измерений

При коэффициенте качества равном единице,

1 Зв=1Гр» 100 рад» 100 бэр» 100Р.

Производственные единицы зиверта:

Миллизиверт (мЗв): 1 мЗв= 10-3Зв;

Микрозиверт (мкЗв): 1 мкЗв - 10-6 Зв.

Основные дозиметрические величины. Единицы измерения

Ионизирующие излучения, распространяясь в воздухе, в различных веществах, в биологической ткани живых организмов, вызывают возбуждение атомов и молекул, часто их ионизацию, а иногда и разрушение.

Для установления закономерностей воздействия распространения и поглощения ионизирующих излучений в среде, в том числе и в биологической ткани, введены следующие основные характеристики: экспозиционная доза фотонного излучения, мощность экспозиционной дозы, поглощенная доза, мощность поглощенной дозы, керма, эквивалентная доза, мощность эквивалентной дозы, эффективная доза, полувековая эквивалентная доза, коллективная эквивалентная доза и др.

Дозой облучения называется часть энергии радиационного излучения, котором расходуется на ионизацию и возбуждение атомов и молекул любого облученного объекта.

В зависимости от места нахождения источника облучения различают внешнее и внутреннее облучение.

Внешнее облучение имеет место, если источник излучения находится вне облучаемого объекта.

Внутреннее облучение имеет место, если источник излучения находится внутри облучаемого объекта.

Источники излучения могут быть как точечными, так и распределены на поверхности, в объеме или в массе вещества.

Связь понятий источника излучения, поля, дозы и радиобиологического эффекта показана на рис. 1.

Рис. 1. Связь понятий источника излучения, поля излучения, доз и радиобиологического эффекта

Экспозиционная доза фотонного излучения

Исторически получилось так, что сначала было открыто фотонное излучение. Было замечено, что оно имеет свойство ионизировать воздух. Поэтому для характеристики поля было введено понятие экспозиционная доза.

Экспозиционная доза фотонного (рентгеновского и гамма-) излучения характеризует их способность создавать, в веществе заряженные частицы. Выражается отношением суммарного электрического заряда ионов одного знака dQ, образованного излучением в некотором объеме духа, к массе dm в этом объеме:

Единица измерения в системе СИ - Кулон/кг, внесистемная единица - Рентген. На практике используются и пробные единицы - мкР, мР.

Доза в 1 Р накапливается за 1 час на расстоянии 1 м от источника радия массой в 1 г, то есть активностью в 1 Ки.

1 Рентген - это доза фотонного излучения, при прохождении которого через 1,29 · 10е кг (1 см³) воздуха при температуре 0 °С, давлении 1013 гПа (760 мм рт.), в результате завершения всех ионизационных процессов, вызванных этим излучением, образуется заряд равный 3,34 · 10^-10 Кл каждого знака, что отвечает возникновению 2,08 · 109 пар ионов.

Между единицами существует следующая зависимость: 1Р=2,5810^-4 Кл/кг; 1 Кл/кг=3,876·10³ Р.

Примечание. Согласно РД 50-454-84 характеристика «экспозиционная доза» подлежит изъятию из употребления. Однако в настоящее время многие приборы еще отградуированы в рентгенах и продолжают использоваться. Вместе с тем можно назвать причины изъятия из обращения экспозиционной дозы:

- экспозиционная доза введена только для фотонного излучения и не может быть использована для смешанного излучения;

- даже для фотонного излучения область практического использования экспозиционной дозы ограничена энергией 3 МэВ;

- значения экспозиционной дозы в Рентгенах и поглощенной дозы в воздухе в радах отличаются всего лишь примерно в 1,14 раза;

- существенное изменение размеров единиц при переходе на единицы СИ и нецелочисленный, неудобный коэффициент связи между системными и внесистемными единицами могут быть причинами многих ошибок.

Учитывая, что экспозиционная доза накапливается во времени, на практике используется и понятие «мощность экспозиционной дозы», которая характеризует интенсивность излучения.

Мощность экспозиционной дозы - отношение приращения экспозиционной дозы dX за интервал времени dt к этому интервалу:

Единицы измерения: в системе СИ - А/кг (ампер на кг); внесистемная единица - Р/с, Р/ч, мР/ч, мкР/ч и т.д. Мощность дозы, измеренная на высоте 70-100 см от поверхности земли, часто называют уровнем радиации.

Поглощенная доза

После того как были открыты бета-излучение и альфа-излучение, стал вопрос оценки этих излучений при взаимодействии с окружающей средой. Экспозиционная доза для оценки этих излучений оказалась непригодной, так как степень ионизации от них оказалась различной в воздухе, в различных облучаемых веществах и в биологической ткани. Поэтому была предложена универсальная характеристика - поглощенная доза.

Поглощенная доза -- количество энергии Е, переданное веществу ионизирующим излучением любого вида в пересчете на единицу массы т любого вещества.

Другими словами, поглощенная доза (D) - это отношение энергии dE, которая передана веществу ионизирующим излучением в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:

1 Дж/кг = 1 Грей. Внесистемная единица - рад (радиационная адсорбционная доза). 1 Грей = 100 рад.

Можно использовать и дробные значения единиц, например: мГр, мкГр, мрад, мкрад и др.

Примечание. Согласно РД50-454-84 использование единицы «рад» не рекомендуется. Однако на практике имеются приборы с этой градуировкой, и она пока используется.

В определение поглощенной дозы входит понятие средней энергии, переданной веществу в определенном объеме. Дело в том, что из-за статистической природы излучения и вероятностного характера взаимодействия излучения с веществом величина переданной энергии веществу подвержена флюктуациям. Предсказать ее значение при измерении заранее нельзя. Однако, проведя ряд измерений, можно получить среднее значение этой величины.

Доза в органе или биологической ткани (D,r) - средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела:

D_T = E_T/m_T,(4)

где Е_Т - полная энергия, переданная ионизирующим излучением ткани или органу; m_Т - масса органа или ткани.

При облучении вещества поглощенная доза нарастает. Скорость нарастания дозы характеризуется мощностью поглощенной дозы.

Мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения - отношение приращения поглощенной дозы излучения dD за интервал времени dt к этому интервалу:

Единицы измерения мощности дозы: рад/с, Гр/с, рад/ч, Гр/ч и т.д.

Мощность поглощенной дозы в ряде случаев можно рассматривать как величину постоянную на каком-то небольшом интервале времени или изменяющуюся по экспоненте на значительном интервале времени, тогда можно считать, что:

Керма -- аббревиатура английских слов в переводе обозначает «кинетическая энергия ослабления в материале». Характеристика используется для оценки воздействия на среду косвенно ионизирующих излучений. Керма - это отношение суммы первоначальных кинетических энергий dE_k всех заряженных частиц, образованных косвенно ИИ в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:

К = dE_k /dm. (7)

Единицы измерения в СИ и внесистемная: Грей и рад соответственно.

Керма введена для более полного учета поля излучения, в частности плотности потока энергии, и используется для оценки воздействия на среду косвенно ионизирующих излучений.

Эквивалентная доза

Установлено, что при облучении одной и той же энергией биологической ткани человека (то есть при получении одной и той же дозы), но различными видами лучей последствия для здоровья будут разными. Например, при облучении альфа-частицами тела человека вероятность заболеть раком значительно выше, чем при облучении бета-частицами или гамма-лучами. Поэтому для биологической ткани была введена характеристика - эквивалентная доза.

Эквивалентная доза (HTR) - поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий коэффициент качества излучения WR данного вида излучения R.

Введена для оценки последствий облучения биологической ткани малыми дозами (дозами, не превышающими 5 предельно допустимых доз при облучении всего тела человека), то есть 250 мЗв/год. Ее нельзя использовать для оценки последствий облучения большими дозами.

Доза эквивалентная равна:

H_T.R = D_T.R · W_R,(8)

где D_T.R -- поглощенная доза биологической тканью излучением R; W_R - весовой множитель (коэффициент качества) излучения R (альфа-частиц, бета-частиц, гамма-квантов и др.), учитывающий относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов (табл. 1). Этот множитель зависит от многих факторов, в частности от величины линейной передачи энергии, от плотности ионизации вдоль трека ионизирующей частицы и т.д.

Формула (8) справедлива для оценки доз как внешнего, так и внутреннего облучения только отдельных органов и тканей или равномерного облучения всего тела человека.

При воздействии различных видов излучений одновременно с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для всех этих видов излучения R:

H_T = У H_T.R(9)

Установлено, что при одной и той же поглощенной дозе биологический эффект зависит от вида ионизирующих излучений и плотности потока излучения.

Примечание. При использовании формулы (8) средний коэффициент качества принимают в данном объеме биологической ткани стандартного состава: 10,1% водорода, 11,1% углерода, 2,6 % азота, 76,2 % кислорода.

Единица измерения эквивалентной дозы в системе СИ - Зиверт (Зв).

Зиверт - единица эквивалентной дозы излучения любой природы в биологической ткани, которая создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр образцового рентгеновского излучения с энергией фотонов 200 кэВ, Используются также дробные единицы - мкЗв, мЗв. Существует и внесистемная единица - бэр (биологический эквивалент рада), которая постепенно изымается из пользования.

1 Зв = 100 бэр.

Используются также дробные единицы -- мбэр, мкбэр.

Таблица 1. Коэффициенты качества излучения

Примечание. Коэффициент W_R учитывает зависимость неблагоприятных биологических результатов облучения в малых дозах от полной линейной передачи энергии (ЛПЭ) излучения. В таблице 2 приведена зависимость весового коэффициента качества W_R от ЛПЭ.

Таблица 2. Зависимость коэффициента качества WR от ЛПЭ

Мощность эквивалентной дозы - отношение приращения эквивалентной дозы dH за время dt к этому интервалу времени:

Единицы измерения мощности эквивалентной дозы мЗв/с, мкЗв/с, бэр/с, мбэр/с и т.д.

Эффективная доза

В случае неравномерного облучения тела человека формула (8) использована быть не может, так как биологический эффект может оказаться другим. Неравномерное облучение тела человека возникает в основном при внутреннем облучении. Дело в том, что различные радионуклиды, попавшие вместе с пищей или водой в организм человека, имеют свойство накапливаться в определенных органах. Так, радиоактивный йод накапливается преимущественно в щитовидной железе, калий -- в мышцах, стронций-90 - в костях и т.д. Поэтому введена «эффективная доза».

Эффективная доза (Е) - это такая доза при неравномерном облучении тела человека, которая равна эквивалентной дозе при равномерном облучении всего организма, при этом риск неблагоприятных последствий будет таким же, как и при неравномерном облучении тела человека.

Учет неравномерного облучения производится с помощью коэффициента радиационного риска W_T (взвешивающий коэффициент), который учитывает радиочувствительность различных органов человека:

Е = УH_i · W_Tj, (11)

где Н_i - эквивалентная доза в данном і-том органе биологической ткани; W_Ti - взвешивающий коэффициент для тканей и органов, учитывающий чувствительность разных органов и тканей при возникновении стохастических эффектов в і-том органе; сумма рассматривается по всем тканям т (таблица 3).

Таблица 3. Взвешивающие коэффициенты WT*

Взвешивающий коэффициент характеризует отношение стохастического риска поражения какого-либо органа или ткани к риску поражения всего организма при равномерном облучении всего тела. Риск поражения всего организма принимают равным 1, то есть сумма і-тых коэффициентов риска равна 1. Значения W_Ti, приведенные в таблице 3, рекомендует МКРЗ.

Примечание к таблице 3. При расчетах учитывать, что «остальные органы» включают надпочечники, головной мозг, экстраторакальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечную ткань, поджелудочную железу, селезенку, вилочковую железу и матку. В тех случаях, когда один из перечисленных органов получает эквивалентную дозу, превышающую самую большую дозу, полученную любым из двенадцати органов, для которых определены взвешивающие коэффициенты, следует приписать этому органу взвешивающий коэффициент, равный 0,025, а оставшимся органам из рубрики «Остальные органы» приписать суммарный коэффициент, равный 0,026.

Единицы измерения эффективной дозы те же, что и эквивалентной дозы. И эквивалентная и эффективная дозы являются величинами, которые предназначены для оценки вероятности стохастических эффектов.

Необходимо отметить, что 1 Р соответствует 0,873 рада в воздухе и IP соответствует 0,95 бэра в биологической ткани, то есть 1 Р ? 1 рад ? 1 бэр.

Поглощенная доза при внешнем облучении формируется в то самое время, когда ткань или орган находятся в поле излучения. Однако при внутреннем облучении формирование суммарной поглощенной дозы растягивается во времени, и она накапливается постепенно по мере радиоактивного распада радионуклида и его выведения из организма. Распределение во времени поглощенной дозы зависит от типа радионуклида, его физико-химической формы, характера поступления в ткани, в которой он откладывается. Для учета этого распределения и введено понятие полувековая эквивалентная доза. Она представляет собой временной интеграл мощности эквивалентной дозы в определенной ткани (органе). В качестве предела интегрирования МКРЗ установила 50 лет для взрослых и 70 лет для детей (рис. 2).

Рис. 2. Мощность эквивалентной дозы в органе (ткани) после поступления радионуклида с коротким и длинным периодом полувыведения

Полувековая эффективная доза может быть получена, если умножить полувековые эквивалентные дозы в отдельных органах на соответствующие весовые множители W_T и затем их просуммировать. Коллективная эквивалентная доза (S_т) в биологической ткани т для выражения общего облучения конкретной ткани у группы лиц применяется на основе таблицы 1.

Коллективная эффективная доза (S) относится в целом к облученной популяции. Она равна произведению средней эффективной дозы на число лиц в облученной группе. В определении коллективной эквивалентной и коллективной эффективной доз не указано время, за которое она получена. Поэтому обычно указывается и время, за которое получена доза для группы лиц.

Единицы коллективных доз -- чел · Зв и чел · бэр.

Список литературы:

Дорожко С.В., Бубнов В.П., Пустоит В.Т. Защита населения и объектов в чрезвычайных ситуациях. Радиоактивная безопасность: пособие. В 3 ч.Ч.3. Радиационная безопасность / С.В. Дорожко, В.П. Бубнов, В.Т. Пустовит. - Мн.: Дикта, 2008. - 308 с.

Размещено на Allbest.ru