17. Индивидуальная дозиметрия

17. Индивидуальная дозиметрия

Индивидуальная дозиметрия заключается в измерение величины дозы ионизирующего излучения, которую получает человек. Дозиметрия основана на понимании механизмов, по которым различные виды ионизирующего излучения передают энергию веществу, с которым они взаимодействуют, и эффектов влияния этой передачи на облучаемую среду. В частности для радиационной защиты, это величина энергии, которая поглощена биологическими тканями организма человека и эффекты, которые связаны с этим облучением. В этом модуле Вы узнаете, как могут быть измерены операционные дозиметрические величины и как они соотносятся с дозовыми пределами, определенными МКРЗ.

Персонал, работающий с ионизирующим излучением, может подвергаться облучению от источников внутри и вне их тела. В этом модуле Вы также узнаете, как можно оценить индивидуальные дозы от внутреннего и внешнего ионизирующего облучения, и о проблемах, связанных с проведением корректных оценок дозы. Вы должны осознать важность контроля уровней радиации для предотвращения или ограничения облучения.

1. Радиометрические и дозиметрические измерения

В радиационной защите мы должны уметь определять потенциальную опасность от радиационных воздействий. Чтобы это сделать, нам нужно измерить величины, которые описывают поле излучения (называемые радиометрическими величинами), а также  измерять эффекты, вызываемые дозой излучения (называемые дозиметрическими величинами). За обеспечение взаимосвязанности этих величин, разработку соответствующих определений и коэффициентов перевода, для их использования в радиационной защите, ответственна специальная организация, известная как Международная комиссия по радиологическим единицам и измерениям (МКРЕ).

1.1     Радиометрические величины

Радиометрические величины описывают поле излучения (в терминах частиц или излучений) и количество актов ионизации, произведенных излучением.

1.1.1     Энергия

Единицей измерения энергии в системе СИ является джоуль. Однако, так как это очень большая величина, ее неудобно использовать в радиационной защите. Поэтому энергия ионизирующего излучения измеряется в электронвольтах (эВ), один электронвольт – это количество энергии, приобретенное электроном при ускорении разностью потенциалов в одни вольт.

1 эВ= 1.6 x 10-19 Дж

Электронвольт является очень маленькой единицей энергии, даже в масштабах атома, поэтому на практике энергия излучения обычно приводится в килоэлектронвольтах (кэВ) или мегаэлектронвольтах (МэВ).

1.1.2     Флюенс (F)

Поле излучения, создаваемое любым типом излучения, может быть описано величиной называемой флюенс, который представляет собой количество частиц (или фотонов), проходящих через единицу площади. Он измеряется в частицах на квадратный метр (м-2) и обозначается символом F. Плотность потока частиц – это количество частиц, проходящих через единицу площади в единицу времени. Она обычно измеряется в частицах на квадратный метр в секунду (м-2 · с-1).

1.1.3     Экспозиционная доза (X)

Исторически рентгеновское и гамма-излучения количественно определялись степенью ионизации, которую они производят в воздухе (т. е. экспозиционной дозой). Изначально специальная единица экспозиционной дозы (символ X) была названа Рентген (Р) в честь первооткрывателя рентгеновского излучения Вильгельма Рентгена. Единицей экспозиционной дозы в системе Си является кулон на килограмм (Кл/кг), а связь с рентгеном и системной единицей следующая:

1 Р = 2.58 x 10-4 Кл/кг в воздухе

Рентген больше не используется в радиационной защите, но существует много приборов, которые дают показания в рентгенах (Р) или рентгенах в час (Р/ч). В Докладах МКРЕ 39, 43 и 47 приведены коэффициенты для перевода экспозиционной дозы измеренной в рентгенах в единицы дозы системы СИ, если известна энергия рентгеновского или гамма-излучения.

1.1.4     Керма (K)

Понятие керма (K) было введено МКРЕ в 1962 году, чтобы учесть проблемы измерения общего облучения. Термин «керма» фактически произошел от «kinetic energy released per unit mass of absorber» и является мерой кинетической энергии заряженных частиц, образовавшихся в поглощающей среде при воздействии косвенно ионизирующих видов излучения (т.е фотонов и нейтронов). Если поглощающей средой является воздух, используется термин «воздушная керма».

Единицей кермы является джоуль на килограмм и ей дано специальное название – грей (Гр):

1 Гр = 1 Дж/кг

1.1.5     Резюме по радиометрическим величинам

В Таблице 1 даны основные радиометрические величины.

Таблица 1

Радиометрические величины

 

Величина Символ Единица СИ Название единицы СИ Преобразование
Энергия   Джоуль

Дж

электронвольт (эВ) 1 эВ = 1.6 x 10-19 Дж
Флюенс F Частицы на квадратный метр в секунду м-2с-1    
Экспозиционная доза X Кулоны на килограмм Кл/кг   1 Р= 2.58 x 10-4 Кл/кг
Керма K Джоуль на килограмм Дж/кг грей (Гр) 1 Гр = 1 Дж/кг

 

 

1.2     Дозиметрические величины

Термин «доза» является общим термином, который применяется к величине энергии, поглощенной при прохождении излучения через вещество. Он часто используется очень нечетко и в зависимости от контекста может означать поглощенную дозу, эквивалентную дозу, эффективную дозу или даже экспозиционную дозу или керму. Следующие разделы дадут объяснение основным дозиметрическим величинам, используемым в радиационной защите.

1.2.1     Поглощенная доза (D)

Поглощенная доза – это мера энергии, оставленной в веществе любым видом излучения. Она обозначается символом D, а DT R означает поглощенную дозу в ткани или органе Т формируемую излучением вида R. Например, DLung a означает поглощенную дозу в легком от альфа-излучения.

Системной единицей поглощенной дозы, как и кермы, является джоуль на килограмм (Дж/кг) и она называется Грей (Гр). Однако, когда мы говорим о поглощенной дозе, очень важно точно указать вид вещества, в котором поглощена энергия, например, 1.3 мГр поглощенной дозы в воде.

В качестве единицы поглощенной дозы так же используют рад (русская транслитерация английской аббревиатуры термина «radiation adsorbed dose» (rad)) и один Грей равен 100 рад.

 

1 Гр = 100 рад

или 1 мрад = 10 мкГр

В радиационной защите мы часто нуждаемся в переходе от старых (внесистемных) к новыми (системными) единицами дозы и мощности дозы (и наоборот). Пример 1 показывает, как это преобразование может быть произведено для поглощенной дозы. (Отметим, что, возможно, Вам понадобиться обратиться к Справочному материалу R1 за информацией о используемых приставках к единицам.)

ПРИМЕР 1

Вопрос

Проведите преобразование между старыми и новыми единицами измерения для следующих значений поглощенных доз и мощностей дозы:

а) 0.4 мрад в Гр,

б) 7.5 мкГр/ч в рад/ч.

Ответ

a)  1 мрад = 10 мкГр.

Поэтому, 0.4 мрад = 0.4 x 10 мкГр = 4 мкГр.

Следовательно 0.4 мрад равно 4 мкГр или 4 x 10-6 Гр.

b)  1 Гр/ч = 100 рад/ч

или 1 мкГр/ч = 0.1 мрад/ч.

Поэтому 7.5 мкГр/ч = 7.5 x 0.1 мрад/ч = 7.5 x 10-4 рад/ч = 0.75 мрад/ч

Следовательно, 7.5 мкГр/ч соответствует 0.75 мрад/ч или 7.5 x 10-4 рад/ч.

1.2.2     Эквивалентная доза (H)

Поглощенная доза показывает, сколько энергии было оставлено в поглощающем материале, но ничего не говорит о том, какой вред может быть причинен тканям, и не указывает на уровень потенциальной опасности. Например, уровень вреда, вызываемого в ткани поглощенной дозой 0.5 Гр, будет намного больше, если энергия была оставлена альфа-излучением или нейтронами, чем если он связан с воздействием гамма-излучения. По этой причине, величина, называемая эквивалентной дозой используется как мера биологического эффекта от воздействия определенного вида излучения на органы или ткани. Она рассчитывается путем умножения поглощенной дозы в органе или ткани (измеряемой в Греях) на безразмерный коэффициент, называемый весовым множителем излучения (wR). Весовые множители излучения, рекомендованные МКРЗ в Публикации 60, приведены в Таблице 2.

Таблица 2

Весовые множители излучения

 

Вид и диапазон энергий излучения Весовой множитель излучения (wR)
Альфа-частицы, все энергии 20
Бета-частицы, все энергии 1
Гамма- и рентгеновское излучение, все энергии 1
Нейтроны:  
<10 кэВ 5
10 кэВ to 100 кэВ 10
> 100 кэВ to 2 МэВ 20
> 2 МэВ to 20 МэВ 10
> 20 МэВ 5

 

 

Эквивалентная доза (символ Н) определяется, как показано в Формуле 1 для определенного вида излучения, взаимодействующего с определенным органом или тканью:

[1]

 

где                     – эквивалентная доза на орган или ткань Т, обусловленная излучением вида R;

– поглощенная доза на орган или ткань Т, обусловленная излучением вида R;

– весовой множитель излучения вида R.

Единицей измерения эквивалентной дозы в системе СИ является тот же джоуль на килограмм, но ему дано специальное название Зиверт (Зв), чтобы отличать ее от поглощенной дозы.

1 Зв = 1 Дж/кг

Пример 2 показывает, как можно определить эквивалентную дозу из поглощенной дозы.

ПРИМЕР 2

Вопрос

а) Переведите приведенные ниже поглощенные дозы в определенном органе или ткани в эквивалентные дозы:

1. 2 мГр от альфа-частиц.

2. 2 мГр от бета-частиц.

3. 2 мГр от гамма-излучения.

б) Какие их них вызовут наибольшее повреждение органа или ткани?

Ответ

а) 1.   D T a = 2 мГр

Из Таблицы 2:

w a = 20

Из Формулы 1:

H T a = D T a x w a = 2 x 20 = 40 мЗв

Следовательно, эквивалентная доза в определенном органе или ткани за счет поглощенной дозы от альфа-частиц в 2 мГр составляет 40 мЗв.

2. D T b = 2 мГр

Из Таблицы 2:

w b = 1

Из Формулы 1:

H T b = D T b x w b = 2 x 1 = 2 мЗв

Следовательно, эквивалентная доза в определенном органе или ткани за счет поглощенной дозы от бета-частиц в 2 мГр составляет 2 мЗв.

3. D T g = 2 мГр

Из Таблицы 2:

w g = 1

Из Формулы 1:

H T g = D T g x w g = 2 x 1 = 2 мЗв

Следовательно, эквивалентная доза в определенном органе или ткани за счет поглощенной дозы от гамма-излучения в 2 мГр составляет 2мЗв.

б) Как видно из пункта а) альфа-частицы обуславливают большую эквивалентную дозу, поэтому они вызовут наибольшее повреждение отдельного органа или ткани.

 

Если орган облучается больше, чем одним видом излучения, необходимо суммировать эквивалентные дозы, чтобы учесть различные виды излучения. Формула 1 показывает, как может быть определена общая доза на отдельный орган или ткань от суммарного воздействия различных видов излучения.

[2]

где                     – общая эквивалентная доза на орган или ткань Т, обусловленная всеми видами излучения,

определяет суммирование по всем типам излучения R,

– поглощенная доза на орган или ткань Т, обусловленная излучением вида R,

– весовой множитель излучения вида R.

Пример 3 показывает, как может быть определена эквивалентная дозы на отдельный орган или ткань для различных видов излучения.

ПРИМЕР 3

Вопрос

Какова общая эквивалентная доза на отдельный орган или ткань от дозы в 2 мГр от альфа-частиц, 2 мГр от бета-частиц и 2 мГр от гамма-излучения?

 

Ответ

Из Формулы 2, приведенной выше, мы знаем, что:

D T a x w a = 40 мЗв

D T b x w b = 2 мЗв

D T g x w g = 2 мЗв

Из Формулы 2:

= D T a x w a + D T b x w b + D T g x w g = 40 + 2 + 2 = 44 мЗв

Следовательно, общая эквивалентная дозы на отдельный орган или ткань от поглощенных доз в 2 мГр от альфа-частиц, 2 мГр от бета-частиц и 2 мГр от гамма-излучения составляет 44 мЗв.

 

Отметим, что ранее единицей измерения эквивалентной дозы был бэр, один Зиверт равен 100 бэр.

 

1 Зв = 100 бэр

или 1 мбэр = 10 mSv

Пример 4 показывает, как мы можем перевести старые единицы в новые:

ПРИМЕР 4

Вопрос

Проведите преобразование следующих эквивалентных доз и мощностей дозы из старых единиц в новые:

а) 0.25 мбэр в Зв,

б) 0.3 мЗв/ч в бэр/ч.

Ответ

а) 1мбэр = 10 мкЗв.

Поэтому 0.25 мбэр = 0.25 x 10 мкЗв = 2.5 мкЗв

Следовательно, 0.25 мбэр равно 2.5 мкЗв или 2.5 x 10-6 Зв

б) 1 мЗв/ч = 100 мбэр/ч.

Поэтому 0.3 мЗв/ч = 0.3 x 100 мбэр/ч = 30 мбэр/ч = 0.03 бэр/ч

Следовательно, 0.3 мЗв/ч равно 30 мбэр/ч или 0.03 мбэр/ч.

1.2.3     Эффективная доза (E)

Некоторые ткани и органы тела более чувствительны к ионизирующим излучениям, чем другие, и эквивалентная доза в одном органе может быть более опасной, чем такая же эквивалентная доза в другом органе. МКРЗ рекомендует тканевые весовые множители (или тканевые взвешивающие коэффициенты) (wT), которые применимы к отдельным органам тела. Эти безразмерные коэффициенты учитывают относительную радиочувствительность различных органов и тканей. В Таблице 3 перечислены тканевые весовые множители, рекомендованные МКРЗ в Публикации 60.

Таблица 3

Тканевые весовые множители

Орган или ткань Тканевый весовой множитель (wT)
Гонады 0.20
Костный мозг (красный) 0.12
Толстая кишка 0.12
Легкие 0.12
Желудок 0.12
Мочевой пузырь 0.05
Молочные железы 0.05
Печень 0.05
Пищевод 0.05
Щитовидная железа 0.05
Кожа 0.01
Поверхность кости 0.01
Остальные органы и ткани 0.05

 

 

Эффективная доза (символ Е) на орган или ткань определяется путем умножения эквивалентной дозы на соответствующий тканевый весовой множитель, как показано в Формуле 3:

[3]

где                     – эффективная доза на орган или ткань вида Т,

– эквивалентная доза на орган или ткань вида Т,

– тканевый весовой множитель на орган или ткань вида Т.

Так как тканевые весовые множители безразмерные величины, то единицы измерения эффективной дозы такие же, как и для эквивалентной дозы (т.е. Зв или бэр). Применимы те же переводные коэффициенты между старыми единицами (бэр) и новыми системными единицами (Зв).

Пример 5 показывает, как эффективная доза может определяться через эквивалентные дозы на различные органы тела.

ПРИМЕР 2

Вопрос

а) Рассчитайте эффективную дозу, образующуюся от 5 мЗв эквивалентной дозы на следующие органы и ткани:

1. на кожу.

2. на щитовидную железу.

3. не легкие.

4. на гонады.

б) Для какого органа или ткани эта эффективная доза представляет большую опасность?

Ответ

а) 1. H кожа = 5 мЗв.

Из Таблицы 3:

w кожа = 0.01

Из Формулы 3:

E кожа = H кожа x w кожа = 5 x 0.01 = 0.05 мЗв.

Поэтому эффективная доза на кожу за счет эквивалентной дозы в 5 мЗв составляет 0.05 мЗв.

2.  H щитовидная железа = 5 мЗв

Из Таблицы 3:

w thyroid = 0.05

Из Формулы 3:

E щитовидная железа = H щитовидная железа x w щитовидная железа = 5 x 0.05 = 0.25 мЗв

Следовательно, эффективная доза на щитовидную железу за счет эквивалентной дозы в 5 мЗв составляет 0.25 мЗв.

3.  H легкие = 5 мЗв

Из Таблицы 3:

w легкие = 0.12

Из Формулы 3:

E легкие = H легкие x w легкие = 5 x 0.12 = 0.6 мЗв

Следовательно, эффективная доза на легкие за счет эквивалентной дозы в 5 мЗв составляет 0.6 мЗв.

4.  H гонады = 5 мЗв

Из Таблицы 3:

w гонады = 0.20

Из Формулы 3:

E гонады = H гонады x w гонады = 5 x 0.20 = 1 мЗв

Следовательно, эффективная доза на гонады за счет эквивалентной дозы в 5 мЗв составляет 1 мЗв.

б) Из пункта а) наибольшая опасность будет для гонад, так как они получают наибольшую эффективную дозу.

 

Общая эффективная доза на все облученные органы – это сумма эквивалентных доз на отдельный орган или ткань, умноженных на соответствующий тканевый весовой множитель на эти органы и ткани (смотрите Формулу 4):

[4]

где                    Е – общая эффективная доза на все облученные органы и ткани,

– определяет сумму по всем органу или тканям вида Т по всему телу,

– эквивалентная доза на орган или ткань Т,

– тканевый весовой множитель для органа или ткани вида Т.

Отметим, что эффективная доза на все тело является основной и наиболее полезной величиной в радиационной защите. Потому что в производственных условиях эффективная доза на все тело непосредственно связана с основными дозовыми пределами, в отличие доз на отдельный орган или ткань. Предполагая облучение однородным по всему телу, общая эффективная доза может быть рассчитана или путем суммирования эффективных доз на каждый отдельный орган или ткань, или можно просто предположить, что тканевый весовой множитель на все тело равен 1 (смотрите Пример 5).

ПРИМЕР 5

Вопрос

Какова эффективная доза на все тело, при его равномерном облучении эквивалентной дозой 5 мЗв?

Ответ

Из Формулы 4:

= (5 x w гонады) + (5 x w костный мозг (красный)) + (5 x w толстая кишка) + (5 x w легкие) + (5 x w желудок) + (5 x w мочевой пузырь) + (5 x w молочные железы) + (5 x w печень) + (5 x w пищевод) + (5 x w щитовидная железа) + (5 x w кожа) + (5 x w поверхность кости) + (5 x w остальные)

= 5 x (0.2 + 0.12 + 0.12 +0.12 + 0.12 + +0.05 + 0.05 + 0.05 + 0.05 + 0.05 + 0.01 + 0.01 + 0.05)

= 5 x 1 = 5 мЗв

Наоборот, из Формулы 3:

= 5 x 1 = 5 мЗв

Поэтому эффективная доза на все тело, облучаемое равномерно эквивалентной дозой 5 мЗв составляет 5мЗв

1.2.4   Ожидаемая доза

Величины, обсуждаемые до сих пор, обычно применяются при рассмотрении радиоактивных источников, находящихся вне тела человека. Однако, как Вы знаете из Модуля 2.3 «Защита от внутренних радиационных опасностей», если происходит поступление радиоактивного вещества в организм, то будет происходить его непрерывное облучение до тех пор, пока оно не распадется или не выведется из организма. Вы также помните, что как только радиоактивный материал поступил в организм, он может распределиться по всему телу или концентрироваться в отдельных органах. Поэтому, необходимо уметь оценивать дозы, которые связаны с поступлением радиоактивных материалов в организм и эти дозы называются ожидаемыми дозами.

Ожидаемая доза определяется как доза, накопленная организмом за 50 лет после поступления (за исключением случаев поступления у детей, для которых рассматривает возрастной интервал в 70 лет). Ожидаемая доза может быть ожидаемой поглощенной дозой, ожидаемой эквивалентной дозой или ожидаемой эффективной дозой. Они обозначаются символами D(50), H(50), или E(50), где 50 обозначает количество лет, за которые рассчитывается доза.

 

1.2.5   Резюме по дозиметрическим величинам

Таблица 4

Дозиметрические величины и их единицы измерения

 

Величина Символ Единица измерения (СИ) Название единицы (СИ) Преобразование
Поглощенная доза D Джоуль на килограмм

Дж/кг

 

Грей

(Гр)

1 Гр = 100 рад
Эквивалентная доза

 

H Джоуль на килограмм

Дж/кг

Зиверт

(Зв)

1 Зв = 100 бэр
Эффективная доза E Джоуль на килограмм

Дж/кг

Зиверт

(Зв)

1 Зв = 100 бэр