Реферат
«Дозиметрія: еквівалент поглинання, одиниці виміру і характеристика доз»
Виконав студент
Москва 2009
Зміст
Поняття дозиметрії
Дози та їх характеристики, еквівалент поглинання
Одиниці вимірювань фізичних величин
Література
Поняття дозиметрії
Дозім е трия, область прикладної фізики, в якій вивчаються фізичні величини, що характеризують дію іонізуючого випромінювання на об'єкти живої та неживої природи, зокрема дози випромінювання, а також методи і прилади для вимірювання цих величин.
Розвиток Д. спочатку визначалося необхідністю захисту людини від іонізуючих випромінювань. Незабаром після відкриття рентгенівських променів були помічені біологічні ефекти, що виникають при опроміненні людини і тварин. З'явилася необхідність у кількісній оцінці ступеню радіаційної небезпеки. В якості основного кількісного критерію була прийнята експозиційна доза, яка вимірюється в рентгенах і визначається за величиною іонізації повітря. Велике значення у розвитку рентгенометр мали роботи радянських вчених (П. Н. Лукирський, В. М. Дукельського, Д. Н. наследова, К. К. Аглінцева, І. В. Поройкова).
З відкриттям радію було виявлено, що - і -випромінювання радіоактивних речовин викликають біологічні ефекти, схожі на ті, які викликаються рентгенівським випромінюванням. При видобутку, обробці та застосуванні радіоактивних препаратів виникає небезпека потрапляння радіоактивних речовин всередину організму. Розвинулися методи вимірювання активності радіоактивних джерел (число розпадів за сек), що є основою радіометрії.
Розробка та будівництво ядерних реакторів і прискорювачів заряджених частинок, розвиток ядерної енергетики і масове виробництво радіоактивних ізотопів призвели до великої різноманітності видів іонізуючих випромінювань і до створення різноманітних дозиметричних приладів (дозиметрів).
Дослідження біологічної дії іонізуючих випромінювань на клітинному і молекулярному рівнях викликали розвиток мікродозіметріі, що досліджує передачу енергії випромінювання мікроструктура речовини.
Дози та їх характеристики, еквівалент поглинання
Доза (від грец. Dosis - частка, порція) іонізуючого випромінювання, величина, яка використовується для оцінки впливу випромінювання на будь-які речовини і живі організми. Залежно від особливостей випромінювання і характеру його впливу розглядають поглинену, еквівалентну та експозиційну дози.
Поглинена доза D поглинутої зразка - відношення енергії випромінювання, поглиненої речовиною, до маси речовини. Д о з іонізуючого випромінювання, енергія іонізуючого випромінювання, поглинена в одиниці маси речовини, що опромінюється. У цьому сенсі доза випромінювання називається також поглиненою дозою (D п). Поглинена енергія витрачається на нагрівання речовини, а також на його хімічні і фізичні перетворення. Величина дози залежить від виду випромінювання (рентгенівське випромінювання, потік нейтронів тощо), енергії його частинок, щільності їх потоку і складу речовини, що опромінюється. За інших рівних умов доза тим більше, чим більше час опромінення. Таким чином, доза накопичується з часом. Доза, віднесена до одиниці часу, називається потужністю дози.
Залежність величини дози від енергії частинок, щільності їх потоку і складу речовини, що опромінюється різна для різних видів випромінювання. Наприклад, для рентгенівського та -випромінювань доза залежить від атомного номера Z елементів, що входять до складу речовини; характер цієї залежності визначається енергією фотонів hv (h - Планка постійна, v - частота електромагнітних коливань). Для цих видів випромінювань доза у важких речовинах більше, ніж у легенях (при однакових умовах опромінення. Нейтрони взаємодіють з ядрами атомів. Характер цієї взаємодії суттєво залежить від енергії нейтронів. Якщо відбуваються пружні зіткнення нейтронів з ядрами, то середня величина енергії, переданої ядра в одному акті взаємодії, виявляється більшою для легких ядер. У цьому випадку (при однакових умовах опромінення) поглинена доза в легкому речовині буде вище, ніж у важкій. Інші види іонізуючих випромінювань мають свої особливості взаємодії з речовиною, що визначають залежність доза від енергії випромінювання і складу речовини. Поглинена доза в системі одиниць СІ вимірюється у дж / кг. Широко поширена позасистемна одиниця рад: 1 рад = 10 -2 дж / кг = 100 ерг / м. Потужність дози вимірюється в рад / сек, рад / год і т. п.
Еквівалентна доза D екв = KD поглинутої зразка, де К - так званий коефіцієнт якості випромінювання (безрозмірна величина). Одиниця D екв в СІ - зіверт (Зв); позасистемна одиниця - бер (1 бер = 10 2 Зв). Для К на практиці зазвичай приймають такі усереднені значення: 1 - для моноенергетіческіх електронів, позитронів, -частинок, -квантів і рентгенівського випромінювання; 3 - для нейтронів з енергією <20 кеВ; 10 - для протонів з енергією <20 кеВ і нейтронів з енергією від 0,1 до 10 МеВ; 20 - для -частинок з енергією <10 МеВ і важких ядер віддачі. К - критерій відносної біологічної ефективності випромінювання при хронічному опроміненні.
Експозиційна доза D екс - міра іонізації повітря під дією рентгенівського і -випромінювань - вимірюється кількістю освічених зарядів. Одиницею експозиційної дози в системі СІ є к / кг. Експозиційна доза в 1 к / кг означає, що сумарний заряд усіх іонів одного знака, утворених в 1 кг повітря, дорівнює одному кулон. Широко поширена позасистемна одиниця експозиційної дози - рентген: 1 р = 2,57976 10 -4 до / кг, що відповідає освіті 2,08 9 жовтня пар іонів в 1 см 3 повітря (при О ° С і 760 мм рт. Ст .). На створення такої кількості іонів необхідно затратити енергію, що дорівнює 0,114 ерг / см 3 або 88 ерг / м. Таким чином, 88 ерг / г є енергетичний еквівалент рентгена. За величиною експозиційної дози можна розрахувати поглинену дозу рентгенівського і -випромінювань у будь-якій речовині. Для цього необхідно знати склад речовини та енергію фотонів випромінювання.
При опроміненні живих організмів виникають біологічні ефекти, величина яких визначає ступінь радіаційної небезпеки. Для даного виду випромінювання спостерігаються радіаційні ефекти в багатьох випадках пропорційні поглиненої енергії. Однак при одній і тій же поглиненої дози в тканинах організму біологічний ефект виявляється різним для різних видів випромінювання. Отже, знання величини поглиненої дози виявляється недостатнім для оцінки ступеню радіаційної небезпеки. Прийнято порівнювати біологічні ефекти, викликані будь-якими іонізуючими випромінюваннями, з біологічними ефектами, викликаними рентгенівським і -випромінюваннями. Коефіцієнт, що показує у скільки разів радіаційна небезпека для даного виду випромінювання вище, ніж радіаційна небезпека для рентгенівського випромінювання при однаковій поглиненої дози в тканинах організму, називається коефіцієнтом якості К. В радіобіологічних дослідженнях для порівняння радіаційних ефектів користуються поняттям відносної біологічної ефективності. Для рентгенівського і -випромінювань К = 1. Для всіх ін іонізуючих випромінювань коефіцієнт якості встановлюється на підставі радіобіологічних даних. Коефіцієнт якості може бути різним для різних енергій одного і того ж виду випромінювання. Наприклад, для теплових нейтронів К = 3, для нейтронів з енергією 0,5 МеВ К = 10, а для нейтронів з енергією 5,0 МеВ К = 7. Еквівалентна доза D е. визначається як добуток поглиненої D n на коефіцієнт якості випромінювання К; D е = D n К. Коефіцієнт К є безрозмірною величиною, і еквівалентна доза може вимірюватися в тих же одиницях, що і поглинена. Однак існує спеціальна одиниця еквівалентної дози - бер. Еквівалентна доза в 1 бер чисельно дорівнює поглиненої дози в 1 рад, помноженої на коефіцієнт якості К.
У радіобіології розрізняють такі дози, що призводять до загибелі тварин у ранні та пізні терміни. Дози, що викликає загибель 50% тварин за 30 днів (летальна доза - ЛД 30/50), становить при одноразовому односторонньому рентгенівському або -опромінюваннях для морської свинки 300 бер, для кролика 1000 бер. Мінімальна абсолютно летальна доза (Малда) при загальному -опроміненні дорівнює ~ 600 бер. Зі збільшенням дози тривалість життя тварин скорочується, поки вона не досягає 2,8-3,5 добу, подальше збільшення дози не змінює цього терміну. Лише доза вище 10000-20000 бер скорочують тривалість життя до 1 добу, а при подальшому опроміненні - до декількох годин. При дозі в 15000-25000 бер відзначаються випадки «смерті під променем». Кожному діапазону доз відповідає певна форма променевого ураження. Ряд безхребетних тварин, рослин і мікроорганізмів має значно більш низькою чутливістю.
Радіочутливість різних видів організмів різна. Смерть половини опромінених тварин (при загальному опроміненні) протягом 30 діб після опромінення (летальна доза - ЛД 50 / 30) викликається наступними дозами рентгенівського випромінювання: морські свинки 250 р, собаки 335 р, мавпи 600 р., миші 550-650 р, карасі (при 18 ° С) 1800 р, змії 8000-20000 р. Більш стійкі одноклітинні організми: дріжджі гинуть при дозі 30000 р, амеби - 100000 р, а інфузорії витримують опромінення в дозі 300000 р. Радіочутливість вищих рослин теж різна: насіння лілії повністю втрачають схожість при дозі опромінення 2000 р., на насіння капусти не впливає доза в 64000 р.
Велике значення мають також вік, фізіологічний стан, інтенсивність обмінних процесів організму, а також умови опромінення. При цьому, окрім дози опромінення організму, відіграють роль: потужність, ритм і характер опромінення (одноразове, багаторазове, переривчасте, хронічне, зовнішнє, загальне або часткове, внутрішнє), його фізичні особливості, що визначають глибину проникнення енергії в організм (рентгенівське і гамма- випромінювання проникає на велику глибину, альфа-частинки до 40 мкм, бета-частинки - на кілька мм), щільність викликається випромінюванням іонізації (під впливом альфа-часток вона більше, ніж при дії інших видів випромінювання). Всі ці особливості впливає променевого агента визначають відносну біологічну ефективність випромінювання. Якщо джерелом випромінювання служать потрапили в організм радіоактивні ізотопи, то величезне значення має хімічна характеристика, що визначає участь ізотопу в обміні речовин, концентрацію в тому чи іншому органі, а отже, і характер опромінення організму.
Первинне дію радіації будь-якого виду на будь-який біологічний об'єкт починається з поглинання енергії випромінювання, що супроводжується порушенням молекул і їх іонізацією. При іонізації молекул води (побічна дія випромінювання) у присутності кисню виникають активні радикали (ОН-та ін), гідратовані електрони, а також молекули перекису водню, що включаються потім у ланцюг хімічних реакцій у клітині. При іонізації органічних молекул (пряма дія випромінювання) виникають вільні радикали, які, включаючись у які відбуваються в організмі хімічні реакції, порушують протягом обміну речовин і, викликаючи появу невластивих організму сполук, порушують процеси життєдіяльності. При опроміненні в дозі 1000 р. в клітці середньої величини (10 -9 г) виникає близько 1 млн. таких радикалів, кожен з яких у присутності кисню повітря може дати початок ланцюговим реакціям окиснення, у багато разів збільшує кількість змінених молекул в клітині і викликає подальше зміна надмолекулярних (субмікроскопічних) структур. З'ясування великої ролі вільного кисню в ланцюгових реакціях, що ведуть до променевому поразки, т.зв. кисневого ефекту, сприяло розробці ряду ефективних радіозахисних речовин, що викликають штучну гіпоксію в тканинах організму. Велике значення має і міграція енергії по молекулам біополімерів, в результаті якої поглинання енергії, що відбулася у будь-якому місці макромолекули, призводить до ураження її активного центру (наприклад, до інактивації білка-ферменту). Фізичні та фізико-хімічні процеси, що лежать в основі Б.д.і.і., тобто поглинання енергії та іонізація молекул, займають частки секунд.
У радіобіології також визначається:
Лінійний коефіцієнт передачі енергії μ е - відношення частки енергій DЕ / Е побічно іонізуючого випромінювання (виключаючи енергію спокою частинок), яка перетвориться в кінетичну енергію заряджених частинок при проходженні елементарного шляху dl в речовині, до довжини цього шляху: μ е = (1 / Е ) (DЕ / dl)
Примітка. Масовий коефіцієнт передачі енергії μtr, т, виражається через лінійний: μ е, т = μ е / ρ, де ρ-щільність речовини.
Лінійний коефіцієнт поглинання енергії μ * en - твір лінійного коефіцієнта передачі енергії μ е, на різницю між одиницею і часткою g енергії вторинних заряджених частинок, що переходить у гальмівне випромінювання в даній речовині: μen = μ е (1 - g) '
Примітка. Масовий коефіцієнт поглинання енергії μen, m виражається через лінійний: μen.m = μen. / Ρ = μ е.m (1 - g).
Еквівалент дози - міра дози на орган чи тканину, призначена для кількісного вираження шкоди, розраховується як результат множення середньої поглиненої дози в органі або тканині і відповідного коефіцієнта якості. Замінено величиною еквівалентної дози, як основний величиною, рекомендованої МКРЗ, а також для розрахунку ефективної дози. Однак визначення деяких діючих величин дози як і раніше використовують цю величину.
Еквівалент амбієнтного дози - безпосередньо вимірювана величина, яка представляє ефективну дозу, для використання при моніторингу навколишнього середовища в умовах впливу зовнішнього опромінення. Для сильно проникаючого випромінювання рекомендується величина d = 10 мм.
Одиниці вимірювань фізичних величин
Існують такі одиниці вимірювання фізичних величин:
Беккерель (Bq): стандартна міжнародна одиниця радіоактивності, що дорівнює одному розпаду за секунду. Дана кількість радіоактивних атомів має активність 1Бк, якщо в секунду розпадається одне ядро. Кожен акт розпаду пов'язаний з емісією іонізуючого випромінювання. 1 Бк = 1 роз / сек. Це - дуже невелика одиниця, рівна приблизно 27 пікокюрі.
Кюрі (Ci): традиційна (позасистемна) одиниця виміру радіоактивності, що дорівнює радіоактивності 1 грама чистого радію. Вона еквівалентна 37 млрд. розпадів за секунду (37 млрд. беккерелів). 1 Кі = 3,7 * 1010 роз / сек = 3,7 * 1010 Бк.
Радий: позасистемна одиниця вимірювання поглиненої дози радіації, яка визначається як накопичення 100 ергов енергії на 1 грам тканини.
Грей (Gy): Міжнародна одиниця поглиненої дози, що дорівнює 100 радам.
1 Кл / кг - одиниця експозиційної дози в системі СІ. Спеціального назви не має. Це така кількість гамма-або рентгенівського випромінювання, яке в 1 кг сухого повітря утворює 6,24 * 1018 пар іонів, які несуть заряд в 1 кулон кожного знака. (1 кулон = 3 * 109 од. СГСЕ = 0,1 од. СГСМ). Фізичний еквівалент 1 Кл / кг дорівнює 33 Дж / кг (для повітря). Співвідношення між рентгеном і Кл / кг наступні: 1 Р = 2,58 * 10-4 Кл / кг - точно. 1 Кл / кг = 3,88 * 103 Р - приблизно.
Рентген: позасистемна одиниця експозиційної дози. Це така кількість гамма-або рентгенівського випромінювання, яке в 1 см3 сухого повітря (що має при нормальних умовах вага 0,001293 г) утворює 2,082 * 109 пар іонів. Ці іони несуть заряд в 1 ел. статичну одиницю кожного знака (у системі СГСЕ), що в одиницях роботи і енергії (у системі СГС) складе близько 0,114 ерг поглиненої повітрям енергії (6,77 * 104 МеВ). (1 ерг = 10-7 Дж = 2,39 * 10-8 кал). При перерахуванні на 1 г повітря це складе 1,610 * 1012 пар іонів або 85 ерг / г сухого повітря. Таким чином фізичний енергетичний еквівалент рентгена дорівнює 85 ерг / г для повітря. (За деякими даними він дорівнює 83,8, за іншими - 88,0 ерг / г). Одиниця рентген може бути використана до значення енергії 3 Мев рентгенівського і y - випромінювання. Від 1 рентгена некостние біологічні тканини отримують радіаційний вплив, рівне приблизно 1 раду.
Рем (радіаційний еквівалент людини): одиниця вимірювання еквівалентної поглиненої дози радіації, що враховує різні шляхи передачі енергії від іонізуючої радіації тканинам людського організму (відома також як відносна біологічна ефективність). У той час як в радах і Греях вимірюється накопичення енергії в тканинах, реми і зіверт вимірюють біологічний збиток. У разі бета-і гамма-радіації раді і реми рівні один одному. Однак, оскільки альфа-радіація завдає набагато більший збиток на одиницю енергії, накопиченої в живих тканинах, виміряна в радах альфа-радіація повинна бути помножена на рівний 20 коефіцієнт з тим, щоб отримати результат у ремах. Зазначений коефіцієнт 20 (званий якісним фактором) прийнятий нині, проте в майбутньому він може бути змінений у результаті переоцінки наноситься радіацією шкоди.
Зіверт (Sv): Стандартна одиниця вимірювання еквівалентної поглиненої дози, яка дорівнює 100 ремам (по імені шведського вченого зіверт (R. М. Sievert) - першого голови Міжнародної комісії з радіологічного захисту, МКРЗ). Це - одиниця еквівалентної та ефективної еквівалентної доз в системі СІ. 1 Зв дорівнює еквівалентній дозі, при якій твір величини поглиненої дози в Греях (в біологічній тканині) на коефіцієнт WR буде дорівнює 1 Дж / кг. Іншими словами, це така поглинена доза, при якій в 1 кг речовини виділяється енергія в 1 Дж. При WR = 1 (для рентгенівського, γ-, β-випромінювань, електронів і позитронів) 1 Зв відповідає поглиненої дози в 1 Гр.
Бер - позасистемна одиниця еквівалентної дози випромінювання - кількість енергії будь-якого виду, яке при поглинанні в 1 г біологічної тканини справить біологічну дію, еквівалентну дії рентгенівського або γ-випромінювання при дозі в повітрі 1 рентген. До 1963 одиниця бер визначалася як біологічний еквівалент рентгена (звідси й назва). 1 бер = 1 рад * К = 100 ерг / г * К = 0,01 Гр * К = 0,01 Дж / кг * К = 0,01 Зіверт. При коефіцієнті якості випромінювання К = 1, тобто для рентгенівського, гамма-, бета-випромінювань, електронів і позитронів, 1 бер відповідає поглиненої дози в 1 рад. 1 бер = 1 рад = 100 ерг / г = 0,01 Гр = 0,01 Дж / кг = 0,01 Зіверт. Ще в 50-х роках було встановлено, що якщо при експозиційній дозі в 1 рентген повітря поглинає 83,8 ÷ 88,0 ерг / г (фізичний еквівалент рентгена), то біологічна тканина поглинає 93-95 ерг / г (біологічний еквівалент рентгена) . Тому виявляється, що при оцінці доз можна вважати (з мінімальною похибкою), що експозиційна доза в 1 рентген для біологічної тканини відповідає (еквівалентна) поглиненої дози в 1 рад та еквівалентної дози в 1 бер (при К = 1), тобто, грубо кажучи, що 1 Р, 1 рад і 1 бер - це одне і те ж.
Берад - поглинена доза будь-якого іонізуючого випромінювання, яка має ту ж біологічної ефективності, що і 1 рад рентгенівських променів з середньою питомою іонізацією 100 пар іонів на 1 мкм шару води.
Фер - фізичний еквівалент рентгена, позасистемна одиниця еквівалентної дози корпускулярного іонізуючого випромінювання (α-і β-частки, нейтрони), при якій в повітрі утворюється стільки ж пар іонів, скільки при експозиційній дозі рентгенівського або гамма-випромінювання в 1 рентген. Міжнародне позначення rep.
Для рентгенівських, гамма-, бета випромінювань, електронів і позитронів величини рентген, радий і бер, а також величини Грей і Зіверт виявляються рівнозначними при оцінці опромінення людини.
Література
Александер П. А., Основи радіобіології, пров. з англ., М., 1993;
Гродзенской Д. Е., Радіобіологія, М., 1999;
Іванов В. І., Курс дозиметрії, 2 изд., М., 1990