Дозы ионизирующих излучений (экспозиционная, поглощенная, эквивалентная, эффективная) и их единицы. Мощность дозы.

Ионизирующее излучение— любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков. Оно представляет собой поток заряженных и (или) незаряженных частиц. Различают непосредственно ионизирующее и косвенно ионизирующее излучение. Непосредственно ионизирующее излучение состоит из заряженных частиц, кинетическая энергия которых достаточна для ионизации при столкновении с атомами вещества (α- и β-излучение радионуклидов, протонное излучение ускорителей). Косвенно ионизирующее излучение состоит из незаряженных (нейтральных) частиц, взаимодействие которых со средой приводит к возникновению заряженных частиц, способных непосредственно вызывать ионизацию (нейтронное излучение, гамма-излучение). Ионизирующее излучение, состоящее из частиц одного вида одинаковой энергии, называется однородным моноэнергетическим излучением; состоящее из частиц одного вида различных энергий, — немоноэнергетическим излучением; состоящее из частиц различного вида, — смешанным излучением.

Ионизирующее излучение наблюдается как среди корпускулярных излучений (альфа-, бэта-излучения, протонное, нейтронное), так и среди электромагнитных (рентгеновское и гамма-излучение). Среди электромагнитных есть и неионизирующие излучения (видимое, инфракрасное, микроволновое, радиочастотное). УФ-излучение можно отнести и к ионизирующим, и к неионизирующим (см. далее). 12,5 эВ – граница между ионизирующим и неионизирующим ЭМИ (соответствует энергии кванта, необходимой для ионизации молекулы H₂O). Значению энергии кванта 12,5 эВ соответствует длина волны l ≈ 100 нм:

(c – скорость света (3 · 10⁸ м/с), h – постоянная Планка (6,626 · 10^-34 Дж · с; 1 Дж = 6,24 · 10¹⁸ эВ).

УФ-излучение — это электромагнитное излучение в диапазоне от 10 нм до 400 нм. Низковолновую область УФ-излучения (10-100 нм) можно отнести к ионизирующим излучениям.

Одним из основных понятий в радиационных исследованиях является понятие дозы излучения. В радиационных исследованиях различают 4 основных вида доз ионизирующего излучения. Это: 1) экспозиционная доза, 2) поглощенная доза, 3) эквивалентная доза, 4) эффективная доза.

1) Доза экспозиционная (X)ионизирующего излучения — количественная характеристика поля g‑ и рентгеновского излучений, основанная на их ионизирующем действии в воздухе. Представляет собой отношение суммарного заряда ионов одного знака dQ, образующихся под действием электромагнитного ионизирующего излучения в элементарном объеме воздуха (наименьший объем среды, который воспринимается как однородный.), к массе воздуха dm в этом объеме: .

Внесистемная единица — рентген (Р). За 1 Р принимают такое количество электромагнитного излучения, которое создает в 1 см³ атмосферного воздуха (т.е. в 0,001293 г воздуха при 0°С и давлении 760 мм рт. ст.) 2,08×10⁹ пар ионов. Единицей экспозиционной дозы системе СИ является кулон на килограмм (Кл/кг). Соотношение между этими единицами следующее: 1 Р = 2,58×10^‑4Кл/кг. На практике широко использовалась и продолжает использоваться внесистемная единица — рентген (единица в системе СИ очень неудобна). Использование экспозиционной дозы планировалось прекратить с 1 января 1990 г. Однако до сих пор экспозиционная доза продолжает широко использоваться, хотя и происходит постепенных переход к использованию других видов доз — в первую очередь в различных нормативных документах. В научной и научно-популярной литературе экспозиционная доза и рентген продолжают довольно часто использоваться. В настоящее время основной (т.к. из нее путем введения различных коэффициентов выводятся понятия двух других доз ионизирующего излучения) дозиметрической величиной, определяющей степень радиационного воздействия на вещество, является поглощенная доза ионизирующего излучения.

2)Доза поглощенная (D)ионизирующего излучения — отношение средней энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме, к массе вещества в этом объеме: . Является основной дозиметрической величиной, определяющей степень радиационного воздействия. Внесистемная единица дозы поглощения — рад: 1 рад = 100 эрг/г. Единица в системе СИ —Дж/кг, и имеет специальное название — грей (Гр): 1 Гр = 1 Дж/кг. Соотношение между этими единицами: 1 Гр = 100 рад. Существует еще также такое понятие как поглощенная доза ионизирующего излучения в органе или ткани(D_T) — средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела: ,

где m_T — масса органа или ткани, D — поглощенная доза в элементарной массе dm органа или ткани. Соотношение между поглощенной дозой и экспозиционной можно рассчитать, исходя из того, что на образование одной пары ионов в воздухе затрачивается энергия равная в среднем 34 эВ (1 эВ = 1,6 × 10^‑19 Дж). Следовательно, при экспозиционной дозе 1 Р, при которой образуется 2,08×10⁹ пар ионов в 1 см³ воздуха, расходуется энергия, равная 2,08×10⁹ ´ 34 эВ = 70,7×10⁹ эВ = 70,7×10⁹ ´ 1,6 × 10^‑19 Дж = 1,13 × 10^‑8 Дж.

На 1 грамм воздуха расход энергии составит: 1,13 × 10^‑8 Дж/0,001293 г = 0,87 × 10^‑5 Дж/г = 0,87 × 10^‑2 Дж/кг. Эта величина — так называемый энергетический эквивалент рентгена в воздухе. 1 Гр = 1 Дж/кг. Отсюда следует, что экспозиционной дозе в 1 Р соответствует поглощенная доза в воздухе 0,87 сГр (или рад). Поэтому переход от экспозиционной дозы, выраженной в рентгенах, к поглощенной дозе в воздухе, выраженной в радах (или сГр), относительно прост: D = fX, где f =0,87 сГр/Р (или рад/Р) для воздуха. Переход от экспозиционной дозы (имеется ввиду — в воздухе) к поглощенной дозе в воде или биологической ткани осуществляется по той же формуле, только переводной коэффициент f =0,93.

3)Понятие эквивалентной дозы введено в связи с тем, что различные виды ионизирующих излучений даже при одинаковых поглощенных дозах вызывают различный биологический эффект. Эффективность биологического действия излучения зависит от величины потери энергии частиц на единицу длины пути dE/dx, которая получила название «линейная передача энергии» (ЛПЭ). В математических выражениях ЛПЭ обозначается L: .

Величина ЛПЭ зависит от плотности вещества. При делении ЛПЭ на плотность вещества получаем значение L/r, которое не зависит от плотности - тормозная способность вещества, и измеряется она в МэВ/см²×г^-1. Величина ЛПЭ характеризует распределение энергии, переданной веществу, вдоль трека частицы. Зная ЛПЭ, можно определить среднее число ионов, образованных на единицу пути частицы. Для этого необходимо разделить значение ЛПЭ на величину энергии, необходимой для образования одной пары ионов (W). Отношение L/W - линейная плотность ионизации (ЛПИ). Точное значение W тканей неизвестно. Для газов значение W составляет около 34 эВ. Поэтому для газов: ЛПИ = ЛПЭ/34 (пар ионов на мкм пути). Чем выше значение ЛПЭ, тем больше энергии оставляет частица на единицу пути, тем плотнее распределены создаваемые ею ионы вдоль трека. Для рентгеновского и гамма-излучения ЛПИ составляет примерно десятки и сотни пар ионов на 1 мкм пути в воде. Для a‑излучения — около тысячи пар ионов.

При облучении клеток ионизирующими излучениями величина поглощенной дозы показывает лишь среднее количество энергии, переданной облучаемой системе. О плотности же ионизации в микрообъемах вещества можно судить по величине ЛПЭ. Если движущаяся частица производит ионизации, значительно удаленные друг от друга, то вероятность возникновения нескольких ионов в пределах макромолекулы, субклеточной органеллы или клетки в целом сравнительно невелика. Когда акты ионизации следуют непрерывно вдоль трека частицы, можно ожидать возникновения многих ионов в пределах одной субклеточной структуры, например двух ионизации в комплементарных участках двухнитевой молекулы ДНК. Биологические последствия повреждения (в результате ионизации) обеих нитей ДНК значительно ощутимее для клетки, чем разрушение какого-либо участка одной спирали ДНК при сохранении целостности комплементарной цепи. Т.о. ясно, что плотноионизирующие частицы (с высокой ЛПЭ) должны значительно эффективнее поражать ДНК и связанные с ней клеточные функции, чем редкоионизирующее излучение. На различных биологических объектах и на различных радиобиологических эффектах (летальное действие излучений, различные отдаленные эффекты, такие, как появление лучевых катаракт и злокачественных опухолей, снижение продолжительности жизни) было проведено сопоставление эффективности различных типов ионизирующих частиц. Биологическую эффективность различных видов излучений обычно сравнивают по отношению к стандартному излучению - рентгеновское излучение с граничной энергией квантов 200 кэВ.

Коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) определяется из соотношения

Значения ОБЭ конкретного вида излучения могут различаться для разных радиобиологических эффектов (например по критерию выживаемости клеток — одни значения ОБЭ, по критерию злокачественного перерождения клеток — другие значения ОБЭ, по критерию образования катаракты — третьи значения ОБЭ и т.д.).

Доза эквивалентная (H_T,R)для определенного вида ионизирующего излучения R определяется как произведение средней поглощенной дозы D_T,_R данного вида излучения в органе или ткани T на соответствующий этому виду излучения взвешивающий коэффициент W_R: . Взвешивающие коэффициенты для различных видов излучений W_R - регламентированные значения ОБЭ разных видов ионизирующих излучений, установленные в целях оценки радиационной опасности данных видов излучений для человека в отношении возникновения отдаленных неблагоприятных эффектов (т.е. эффектов, возникающих в результате воздействия относительно низких доз хронического или кратковременного облучения). Взвешивающие коэффициенты: для фотонов любых энергий (т.е. для рентгеновского и гамма‑излучения) принят равным 1, для электронов любых энергий — 1, для нейтронов с энергией менее 10 кэВ — 5, от 10 кэВ до 100 кэВ — 10, от 100 кэВ до 2 МэВ — 20, от 2 МэВ до 20 МэВ — 10, более 20 МэВ — 5, для протонов с энергией более 2 МэВ (кроме протонов отдачи) — 5, для альфа‑частиц, осколков деления и тяжелых ядер — 20. При действии смешанного излучения H_T определяется как сумма эквивалентных доз воздействующих видов излучения: . Единица эквивалентной дозы в системе СИ — зиверт (Зв). Внесистемная единица — бэр (биологический эквивалент рентгена) (или, что то же самое — рэм — рентген-эквивалент медицинский). Соотношение этих единиц следующее: 1 Зв = 100 бэр. 1 Зв — это эквивалентная доза любого вида ионизирующего излучения, которая создает такой же биологический эффект, что и поглощенная доза в 1 Гр рентгеновского или гамма-излучения. Эквивалентная доза, равная 1 Зв, создается при средней поглощенной дозе в органе или ткани, равной 1/W_R Гр.

Например, для a‑излучения эквивалентная доза, равная 1 Зв, создается при поглощенной дозе 1/20 Гр = 0,05 Гр. Понятие эквивалентной дозы имеет отношение, во-первых, только к человеку. Во‑вторых, только в отношении возникновения отдаленных неблагоприятных эффектов, т.к. приведенные взвешивающие коэффициенты для различных видов излучений относятся только к таким эффектам.

Иногда некоторые радиобиологи используют понятие эквивалентной дозы при облучении и других биологических объектах (не человека), причем исследуя как отдаленные, так и острые радиобиологические эффекты. Эквивалентная доза при этом определяется:

Однако, обычно радиобиологи предпочитают не использовать понятие эквивалентной дозы в отношении других биологических объектов.

4) Доза эффективная (E)ионизирующего излучения — величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его тканей и органов с учетом предрасположенности разных тканей и органов к возникновению в них стохастических эффектов излучения. Определяется как сумма произведений эквивалентной дозы H_T в тканях и органах T на соответствующие взвешивающие коэффициенты для тканей и органов W_T:

W_T предназначены для учета различной предрасположенности разных органов и тканей человека к возникновению в них стохастических эффектов излучения. Представляют собой относительный вклад различных органов или тканей в общий риск (вероятность) возникновения стохастических эффектов во всем организме при равномерном облучении тела. Для разных органов и тканей приняты следующие значения W_T: гонады — 0,20; красный костный мозг — 0,12; толстый кишечник — 0,12; легкие — 0,12; желудок — 0,12; мочевой пузырь — 0,05; грудная железа — 0,05; печень — 0,05; пищевод — 0,05; щитовидная железа — 0,05; кожа — 0,01; клетки костных поверхностей — 0,01; остальное (надпочечники, головной мозг, экстраторокальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечная ткань, поджелудочная железа, селезенка, вилочковая железа, матка) — 0,05. Единицы эффективной дозы совпадают с единицами эквивалентной дозы (в системе СИ — зиверт, внесистемная единица — бэр). Введение понятия эффективной дозы обусловлено необходимостью проведения оценки и сравнения риска возникновения отдаленных неблагоприятных последствий при равномерном и разных случаях неравномерного облучения организма человека. При равномерном облучении организма человека эффективная доза равна эквивалентной дозе, т.к. в этом случае эквивалентная доза H_T в каждой ткани и органе одинакова, а . Использовать понятие эффективной дозы можно: 1)только в отношении человека, 2)только в отношении отдаленных неблагоприятных эффектов. А значит, только в отношении низких доз хронического или кратковременного облучения!!!

При радиационном контроле (оценке радиационной опасности) используйте понятия эффективной и эквивалентной дозы! При биологических экспериментах используйте понятие поглощенной дозы (в отношении облучаемого экспериментального биологического объекта)!

Мощность дозы — отношение приращения дозы ионизирующего излучения (экспозиционной dX, поглощенной dD, эквивалентной dH, эффективной dE) за интервал времени dt к этому интервалу времени. Соответственно: мощность экспозиционной дозы = dX/dt, мощность поглощенной дозы = dD/dt, мощность эквивалентной дозы = dH/dt, мощность эффективной дозы = dE/dt.