Базовые, нормируемые и рабочие величины в радиационной безопасности

Базовые физические величины являются мерой физического воздействия ионизирующего излучения на вещество. Они также характеризуют источник излучения, самоизлучениеи радиационные поля, возникающие при прохождении излучения через вещество.

Для описания воздействия излучения на человека физические дозиметрические величины напрямую не используют. Облучение характеризуют нормируемые дозиметрические величины, в определении которых используются соподчиненные базовые физические величины. Измерение нормируемых величин при контроле облучения практически невозможно.

В оценке соответствия условий облучения нормативным требованиям используются операционные величины, значения которых при определенных условиях облучения близки к значениям соответствующих нормируемых величин. Важнейшим качеством операционных величин является то, что они могут быть непосредственно измерены при радиационном контроле.

2.3.1 Основными базовыми физическими величинами являются:

– активность радионуклидов, характеристики поля их излучения;

– экспозиционная доза;

– поглощенная доза и их мощности.

Активность радионуклидов и ее единицы измерения. Радиоактивные вещества могут быть в аэрозольном, взвешенном состоянии в жидкости, в воздухе, строительных материалах и продуктах питания и др. агрегатных состояниях. Дляизмерения радиоактивности используют число происходящих в нем распадов в единицу времени. Такая величина названа активностью (А).

Один кюри – это активность одного грамма радия. Данной единицей широко пользуются при оценке загрязненности территории каким – либо радиоактивным элементом. Например, если на настоящее время уровень поверхностной активности по цезию – 137 равен 40 Ки/ км² ,то снижение до значения ниже 1 Ки/ км² при периоде полураспада 30 лет произойдет приблизительно через 5,5·Т_1/2, т.е. через 165 лет. Практически полное исчезновение активности для любого элемента происходит через 10 – 20 периодов его полураспада. Следует отметить его, что миграция его радионуклидов, усвоение их растениями, их перенос в результате техногенной деятельности может значительно ускорить этот процесс.

Кюри – относительно большая единица активности, поэтому часто используют ее тысячные (милликюри (мКи)), миллионные (микрокюри (мкКи)) и миллиардные (нанокюри (нКи)) доли:

1 мКи =10 ^{– 3} Ки; 1 мкКи = 10 ^{– 6}Ки; 1нКи=10 ^{– 9} Ки.

Используются и большие, чем кюри, единицы активности: килокюри (кКи) и мегакюри (МКи).

1 кКи = 10³Ки; 1 МКи=10⁶Ки.

Между кюри и беккерелем существует следующее соответствие:

1 Ки =3,7·10¹⁰расп/с = 3,7·10¹⁰Бк, 1 Бк = 1расп/с = 2,7 ·10 ^{– 11} Ки.

Для соблюдения правил радиационной безопасности часто необходимо определить не только активность радиоактивного вещества, но и его концентрацию (т.е. объемную, удельную активность) в воде, продукте питания или атмосфере, а также зараженность поверхности земли.

Активность объёмная (А_об) – отношение активности (А) радионуклида, содержащегося в образце, к его объёму (v):

А_об =А/v, Бк/л (Ки/л).

Например, допустимый уровень объемной активности цезия – 137 в молоке составляет 100 Бк/л.

Активность удельная (A_уд) –отношение активности (А) радионуклида, содержащегося в образце, к массе образца (М):

A_уд=A/M, Бк/кг (Ки/кг).

Например, допустимый уровень удельной активности цезия – 137 в мясе (говядине) и мясных продуктах составляет 500 Бк/кг.

Активность поверхностная (А_пов) – отношение активности (А) радионуклида, содержащегося на поверхности, к площади поверхности (s):

А_пов = A/s, Бк/м² (Ки/км²).

Так, зона с правом на отселение включает территории, уровень поверхностного загрязнения которых цезием – 137 составляет 5 – 15 Ки/км².

Экспозиционная доза.Гамма – излучение или рентгеновское излучение образует в воздухе определённое количество пар ионов.Именно для них и определена экспозиционная доза, которая является количественной характеристикой поля ионизирующего излучения. Она зависит от величины ионизации сухого воздуха при атмосферном давлении в 760 мм рт. ст.

Экспозиционная доза – это величина отношения суммарного заряда всех ионов одного знака, которые образуются рентгеновским или гамма – излучением в некотором объёме, к массе воздуха в этом объёме.

Дозу облучения обусловленную воздействием рентгеновского или гамма – излучения, используют для оценки радиационной обстановки на местности, в производственных или жилых помещениях.

Единицей экспозиционной дозы в СИ является 1 кулон делённый на 1 кг облучённого воздуха – 1 Кл/кг.

Старой (внесистемной) единицей экспозиционной дозы является рентген (Р).

1Рентген – такая доза облучения рентгеновским или гамма – излучением, при прохождении которого через 1,29•10 ^{– 6} кг (1см³) воздуха при температуре 0^оС, давления 1013 гПа (760 мм РТ. Ст.), в результате завершения всех ионизационных процессов, вызванных этими излучениями, образуется заряд равный 3,34• 10 ^{– 10} Кл каждого знака, что соответствует возникновению 2 млрд. ( 2,08• 10⁹⁾ пар ионов.

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

Применяются и более мелкие единицы: миллирентген (мР) и микрорентген (мкР).

1 мР = 10 ^{– 3} Р, 1 мкР= 10 ^{– 6} P.

Соотношение между старой и новой единицей измерения экспозиционной дозы:

1 Р = 2,58 · 10 ^{– 4} Кл/кг, 1 Кл/кг = 3876 Р.

Таким образом, новая единица значительно больше чем старая.

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 dХ 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.

Нормальный радиационный фон (мощность экспозиционной дозы) непревышает 20 мкР/ч .

Поглощённая доза (D погл).Экспозиционная доза характеризует поле радиации вокруг объектов. Воздействие же на объект (организм) оказывает только та часть радиации, которую этот объект или организм поглотил. Поэтому наиболее удобной характеристикой, которая определяет степень воздействия излучения на объект, является поглощенная энергия излучения.

Поглощённая доза–это количество энергии Е, переданное веществу ионизирующим излучением любого вида в пересчете на единицу массы м любого вещества.

, [D]= Дж/кг .

За единицу поглощенной дозы в СИ принимается грей (Гр) (Единица названа по имени Луи Гарольда Грея – лауреата премии имени Рентгена, радиобиолога).

1 Грей – это такая поглощенная доза излучения, при которой массе облучённого вещества в 1 кг, передаётся энергия ионизирующего излучения в 1 джоуль, т.е. 1 Гр = 1 Дж/кг.

В некоторых случаях доза радиации может быть значительно меньше чем 1Гр.

Тогда её измеряют в тысячных – миллигреях (мГр), миллионных – микрогреях (мкГр) частях грея.

1 мГр = 10 ^{– 3} Гр;1 мкГр= 10 ^{– 6} Гр.

Внесистемной единицей поглощённой дозы является рад (радиационная адсорбционная доза).

Соотношение: 1 Гр = 100 рад;1 рад = 0,01 Гр.1 рад = 0,01 Дж/кг.

Для мягких тканей в поле рентгеновского или гамма – излучения поглощённой дозе в 1 рад соответствует экспозиционная доза равная ~ 1 рентген.

2.3.2 Нормируемые дозиметрические величины

Эквивалентная доза (Н^Т _R ).При одной и той же поглощённой дозе разные виды излучения вызывают не одинаковые повреждения биологических объектов. Это объясняется их разной способностью к ионизации вещества. Биологический эффект зависит не только от дозы облучения, но и от вида ионизирующего излучения. Например, при облучении альфа – частицами тела человека вероятность заболеть раком выше, при облучении бета – частицами или гамма лучами. Поэтому для биологической «средней» ткани введена характеристика – эквивалентная доза.

!! 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.

Эквивалентная доза излучения(Н^Т _R) – поглощенная доза в органе или ткани Т, умноженная на соответствующий коэффициент качества излучения W_R данного вида излучения R.

Н^Т _R = D^Т _R·W_R,

гдеD^Т _R –средняя поглощенная доза биологической тканью излучением R;W_R – взвешивающий коэффициент качества излучения R(альфа – частиц, бета – частиц, гамма – квантов и др.), учитывающий относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов (таблица 2.5).

Таблица 2.5 – Коэффициенты качества излучения

Как видно из таблицы, рентгеновское или гамма – излучение и бета – излучение повреждают живой организм примерно одинаково и для них W_R = К.К. = 1.

Для альфа – излучения W_R = К.К. = 20. Это означает, что альфа – излучение, которое попадает внутрь организма в 20 раз более опасное.

Взвешивающие коэффициенты WR не зависят от облучаемого органа или ткани. Значения W_R определены в зависимости от вида и энергии излучения R и характеризуют источник излучения.

Формула Н^Т _R = D^Т _R·W_R, 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:

Н^Т _R = Σ Н^Т _R.

В системе СИ единицей эквивалентной дозы излучения является Зиверт (Зв).

Эта единица названа по имени Зиверта – крупного исследователя в области дозиметрии и радиационной безопасности.

Применяются и более мелкие единицы: миллизиверт (мЗв) и микрозиверт (мкЗв).

Бэр – единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологических тканях, которая создаёт такой же биологический эффект, что и поглощённая доза в 1 рад рентгеновского или гамма – излучения.

1 бэр = 10 ^{– 2} Зв = 0.01 Зв, 1 Зв = 10² бэр = 100 бэр.

Пример: Основной пределы доз (ПД) облучения для населенияэквивалентная доза за год в хрусталике глаза для населения – 15мЗв

Если поглощенная доза измеряется в радах, то эквивалентная в бэрах, а если поглощённая доза измеряется в греях, тогда эквивалентная доза в зивертах.

Справка: соотношение между эквивалентной дозой и экспозиционной дозой, измеренной рентгенометром: каждые 0,05 мЗв/г соответствует одному мкР/ч.

Эффективная доза (Е).В случае неравномерного облучения тела человека биологический эффект может оказаться другим. Неравномерное облучение тела человека возникает, как при внутреннем, так и при внешнем 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 преимущественно накапливается в щитовидной железе, калий – в мышцах, стронций – 90 – в костях и т.д. При внешнем облучении разные ткани могут также облучаться неравномерно. Для оценки этих видов облучения и 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 = Hт_i · W_Ti,(8)

где Hт_i –эквивалентная доза в данном i – том органе биологической ткани Т; W_Ti –взвешивающий коэффициент для тканей и органов, учитывающий чувствительность разных органов и тканей при возникновении стохастических эффектов в i – м органе; сумма рассматривается по всем тканям T(таблица2.6).

Таблица 2.6 - Взвешивающие коэффициенты W_T*

Примечание: 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 0,025.

Единицы измерения эффективной дозы те же, что и эквивалентной дозы.

Пример: Основной пределы доз (ПД) облучения для населения – Эффективная доза – 1 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв в год.