Професор Цехмістер Я.В.: Практичне заняття «фізичні основи Дозиметріі», 9-А клас

Професор Цехмістер Ярослав Володимирович з учнями 9-А класу розглянули фізичні основи дозиметріі, будову радіодетекторів та основні вимірювальні параметри.

Дозиметрія – розділ прикладної ядерної фізики, що розглядає іонізуюче випромінювання, фізичні величини, що характеризують поле випромінювання або взаємодію випромінювання з речовиною, а також принципи і методи визначення цих величин. Дозиметрія має справу з такими фізичними величинами іонізуючого випромінювання, які визначають його хімічну, фізичну і біологічну дію. Найважливіша властивість дозиметричних величин – встановлений зв’язок між фізичною величиною що вимірюється і очікуваним радіаційним ефектом.

ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ ДОЗИМЕТРІЇ

В перші роки роботи вчених з рентгенівським випроміненням і радіоактивними елементами не робилися спроби щодо обмеження опромінення людини, не дивлячись на розуміння небезпеки іонізуючих випромінювань. Лише через майже 7 років з моменту відкриття рентгенівського випромінювання, англійський учений Роллінз в 1902 році запропонував обмежити опромінення тих, що працюють дозою, яка викликала почорніння використовувавшихся в той період часу фотоемульсій, що відповідало експозиційній дозі 10 Р/доба.

Проте перше чітке уявлення про фізично обгрунтоване поняття дози, досить близьке до сучасного, розробила швейцарська лікарка і фізик Крістен в статті «Вимір і дозування рентгенівських променів». Перш ніж в дозиметрії почали застосовувати фізично обгрунтовані методи, застосовували біологічні методи дозиметрії. Так виявлені і згодом добре вивчені ранні поразки шкірних покривів в осіб, що працюють з іонізуючим випромінюванням, послужили підставою для пропозицій ведучих радіологів світу про обмеження професійного опромінення.

Згодом цими питаннями стали займатися спеціально створені національні комітети із захисту від іонізуючих випромінювань, які були створені в 1921 році в багатьох країнах. У ці роки була введена така одиниця рентгенівського випромінювання як рентген. У 1925 році американський радіолог Матчеллер рекомендував як толерантну (переносиму) дозу за місяць – дозу, рівну 340 Р (близько 100 мР/доба). Проте, лише в 1934 році, Міжнародна комісія із захисту від рентгенівського випромінювання і радію, яка була створена в 1928 році (в даний час це Міжнародна комісія з радіологічного захисту (МКРЗ), вперше рекомендувала національним урядам прийняти як толерантної дозу 200 мР/доба. У 1936 році ця комісія зменшила вказану дозу до 100 мР/доба.

Подальше накопичення наукових даних про дію іонізуючого випромінювання, зокрема про скорочення тривалості життя експериментальних тварин, термін толерантна доза замінили обережнішим – гранично допустима доза (ГДД). Вже в 1948 році МКРЗ рекомендувало понизити ГДД опромінення професіоналів до 50 мР/доба (6 Зв за 40 років роботи), сформулювавши поняття ГДД як «такої дози, яка не повинна викликати значного пошкодження людського організму у будь-який момент часу протягом його життя».

У 1953 році Міжнародна комісія з радіаційних одиниць і вимірів (яка була створена в 1925 році), ввела в практику загальнозастосовну дозову величину – поглинену дозу замість рентгена, яка стала застосовуватися як одиниця експозиційної дози. У 1958 році, на основі нових наукових даних, МКРЗ понизило ГДД до 0,6 Зв у віці до 30 років. У колишньому СРСР, в 1987 році ГДД була обмежена величиною 50 мЗв/рік.

У 1997 році Нормами радіаційної безпеки України (НРБУ-97) для професіоналів (категорія А – професійні працівники, які постійно або тимчасово працюють з джерелами іонізуючого випромінювання) прийнята ГДД що дорівнює 20 мЗв/рік, для персоналу (категорія Б – особи не працюють безпосередньо з джерелами іонізуючого випромінювання, але за умовами роботи або мешкання можуть піддаватися дії іонізуючого випромінювання) – 2 мЗв/рік, а для населення – 1 мЗв/рік.

ФОРМУВАННЯ ДОЗИ ОПРОМІНЕННЯ В БІОЛОГІЧНОМУ СЕРЕДОВИЩІ

При формуванні дози опромінення в біологічному середовищі розрізняються безпосередньо іонізуючі частки і побічно іонізуючі частки. Безпосередньо іонізуючі частки – це заряджені частки: альфа-частки (ядра гелію), бета-частки (електрони, позитрони) і ін., а побічно іонізуючі частки – це незаряджені частки: нейтрони, гамма-кванти.

При опроміненні біологічних індивідуумів розрізняють гостре (що виявляється ранніми ефектами опромінення) і пролонговане (тривале), однократне і багатократне (фракціоноване) опромінення. Як гостре, так і пролонговане опромінення може бути однократним або фракціонованим. Крім того, можливе хронічне опромінення, яке можна розглядати як різновид фракціонованого, але такого, що здійснюється тривалий час при дуже малих потужностях дози.

Дозу, що формується випромінюванням в речовині можна оцінити, вимірюючи, наприклад, викликане ним підвищення температури. Проте, навіть при дозах небезпечних для життя людини, енергії, що виділяється, виявляється недостатньо для нагріву опромінюваного організму на тисячні долі градуса. Тому при вивченні дії випромінювання на біологічні об’єкти, дози оцінюють із застосуванням чутливіших методів дозиметрії.

Розподіл дози в часі для різних по лінійній передачі енергії (ЛПЕ) випромінювань може значно розрізнятися і по-різному позначатися на радіобіологічних ефектах опромінення. Це виявляється особливо на віддалених наслідках біологічної дії випромінювань різних ЛПЕ, у зв’язку з чим, визначенню тимчасового розподілу дози в радіобіології приділяється серйозна увага.

Іонізуюче випромінювання, взаємодіючи з речовиною, передає йому енергію малими, кінцевими порціями. Передача енергії є процесом випадковим. Випадковою є і енергія, передавана речовині в кожному акті взаємодії. Тому поглинена в деякому об’ємі речовини енергія при багатократному опроміненні його в тотожних умовах однією і тією ж дозою іонізуючого випромінювання одного вигляду, строго кажучи, є дещо різною. Необхідно пам’ятати про принципово завжди присутні, але не завжди істотні флуктуації (розкиди) енергії, що поглинається (і, відповідно, поглиненої дози).

У випадку малих опромінюваних об’ємів, порівняних по величині з об’ємом окремих клітин, або субклітинних структур, можлива ситуація, при якій флуктуації поглиненої дози виявляються порівняними і навіть перевершують величину дози. У таких умовах зіставлення виходу радіаційно-індукованих ефектів з поглиненою дозою стає неоднозначним і виникає необхідність враховувати ці флуктуації. Флуктуації тим значніше, чим менше об’єм, в якому оцінюється величина поглиненої дози, і чим більше величина ЛПЕ випромінювання, що формує цю дозу.

В випадку формування так званих “малих доз” опромінення (у мікродозиметричному розумінні даного терміну, яке не завжди збігається з його біологічним розумінням), кількість пронизуваних треками іонізуючого випромінювання чутливих мікрооб’ємів в опромінюваному об’єкті істотно менше їх загального числа. В цьому випадку спостережувана, в середньому, лінійна зміна ступені прояву того або іншого радіобіологічного ефекту від дози випромінювання пов’язана просто із зростанням числа чутливих мікрооб’ємів, що пронизуються треками випромінювання, а не з власне лінійним характером дозової залежності виходу цього ефекту.

Подібна ситуація найчастіше реалізується в штатних умовах професійного опромінення і при дії на людину випромінювання радіаційного фону Землі, що формує, як відомо, поглинені дози облученія на рівні сотень міллігрей в рік (мГр/рік). Це означає, що протягом року через чутливі об’єми окремих кліток організму людини дуже рідко проходить більше одного трека, а через іншу їх частину за цей же час треки взагалі не проходять.

Кількісна радіобіологія, навпаки, найчастіше вивчає дію випромінювання в таких умовах, коли кожен чутливий мікрооб’єм в опромінюваному біологічному об’єкті пронизується великим числом треків і збільшення дози опромінення відповідає умові збільшення числа треків через кожен з його чутливих мікрооб’ємів.

ОСНОВНІ ФІЗИЧНІ ВЕЛИЧИНИ ДОЗИМЕТРІЇ

Першопричиною радіаційних ефектів є поглинання енергії випромінювання опромінюваним об’єктом, і доза, як міра поглиненої енергії, є основною дозиметричною величиною. Тому, основною фізичною дозиметричною величиною, що використовується для оцінки міри дії випромінювання на середовище, є поглинена доза випромінювання.

Поглинена доза випромінювання (D) – це величина що визначається енергією випромінювання (Дж) поглинаємою одиницею маси (кг) опромінюваної речовини. За одиницю дози в системі СІ прийнятий грей (Гр):

D = 1Дж/1кг=1 Гр.

Грей це така доза іонізуючого випромінювання, при якій ділянці речовини масою 1 кг передається енергія 1 Дж. Позасистемною одиницею є “рад”. 1 рад = 0,01 Гр.

Поглинена доза характеризує не саме випромінювання, а міру його дії на середовище. В принципі один і той же потік випромінювання в різних середовищах і навіть в різних ділянках одного середовища може сформувати різну величину поглиненої дози. Тому, коли говорять про поглинену дозу, необхідно вказувати, в якому середовищі вона сформована: в повітрі, воді або м’якій біологічній тканині.

Для характеристики розподілу дози опромінення в часі використовують величину потужності поглиненої дози, або інтенсивності опромінення. Під цим розуміють кількість енергії випромінювання, що поглинається в одиницю часу одиницею маси опромінюваної речовини (Гр/година; Гр/рік).

При практичному використанні випромінювань людина, виключаючи спеціальні випадки медичних дій і радіаційні аварії, піддається дії малих доз опромінення. Умови роботи професіоналів в даний час найчастіше відповідають ситуації, коли чутливі мішені кліток їх організму одиничних треків іонізуючих часток, що формують дозу опромінення, істотно більше того часу, впродовж якого працюють репаративні (відновні) системи кліток, що усувають порушення, викликані частинкою що пройшла.

В цих умовах індуковані біологічні ефекти не залежать від таких чинників, як потужність дози, її розподіл, умови і ритм опромінення. Вихід ефектів визначається лише сумарною накопиченою дозою (незалежно від часу опромінення), тобто наслідки опромінення будуть однаковими при однократному опроміненні даною дозою, або при її здобутті протягом декількох днів, місяців і навіть року. На міру вираженості ефекту впливатиме лише просторовий розподіл актів іонізації і збудження, що створюються в треках, тобто лінійного передавання енергії (ЛПЕ) іонізуючого випромінювання. Тому, для таких умов введена спеціальна величина дози, що враховує обидва цих чинника, – еквівалентна доза. Цією величиною можна однозначно пов’язати вихід радіаційних наслідків опромінення з дозою опромінення.

Еквівалентна доза (Н) визначається як добуток поглиненої дози (D) даного виду випромінювання на середнє значення зважуючого фактору (коефіцієнта якості) іонізуючого випромінювання (WR), в даному елементі – об’єму біологічної тканини. Значення WR для різних видів випромінювань представлені в таблиці 1. Ця доза є міра вираженості стохастичних ефектів опромінення. Вона застосовна для оцінки радіаційної небезпеки хронічного опромінення випромінюванням довільного складу (і гострого опромінення дозою менше 0,25 зіверт) і визначається за формулою:

Н = D • WR

За одиницю еквівалентної дози в системі СІ прийнятий зіверт (Зв). Зіверт дорівнює такій еквівалентній дозі, при якій, величина добутку поглиненої в біологічній тканині дози іонізуючого випромінювання на середнє значення зважуючого фактору, для цього випромінювання дорівнює 1 Дж/кг. Позасистемною одиницею є “бер” (біологічний еквівалент рентгена). 1 бер = 0,01 Зв.

З визначення виходить, що для випромінювання з WR = 1, еквівалентна доза 1 Зв реалізується при поглиненій дозі 1 Гр, тобто для цього випадку 1 Зв = 1 Гр. Якщо ж WR відмінно від 1, то еквівалентна доза 1 Зв буде сформована в біологічній тканині при величині поглиненої дози в ній рівною (1/WR) Гр. Допускається підсумовування еквівалентних доз для оцінки загального рівня опромінення за тривалий проміжок часу, якщо кожна разова доза, що мала місце при фракціонованому гострому опромінення за цей час не перевищувала 0,25 Зв.

Таблиця 1 – Значення радіаційних зважуючих факторів (WR)

Вид випромінювання і діапазон енергії
WR
Фотони, всі енергії (включаючи гама- і рентгенівське випромінювання)
1
Електрони (позитрони) і мюони, всі енергії
1
Протони з енергією > 2 МеВ
5
Нейтрони з енергією < 10 кеВ
5
Нейтрони з енергією від 10 кеВ до 100 кеВ
10
Нейтрони з енергією від 100 кеВ до 2 МеВ
20
Нейтрони з енергією від 2 МеВ до 20 МеВ
10
Нейтрони з енергією > 20 МеВ
5
Альфа-частки, уламки ділення, важкі ядра віддачі
20
Для змішаного випромінювання еквівалентна доза визначається як сума добутків поглинених доз окремих видів випромінювань на відповідні значення зважуючих факторів цих випромінювань.

При заданій еквівалентній дозі опромінення вірогідність виходу стохастичних наслідків залежить від опромінюваної їм тканини або органу. Тому, був введений ще один коефіцієнт, що враховує специфіку різних тканин з точки зору вірогідності індукції в них стохастичних наслідків опромінення, – тканинний зважуючий фактор (WT). Прийняті в теперішній час значення WT представлені в таблиці 2 і використовуються виключно для розрахунку ефективної дози. Зважуючі тканинні фактори введені, виходячи з концепції безпорогової дії випромінювань, а їх величини відповідають виходу стохастичних наслідків для різних органів і тканин, отриманому на основі лінійної екстраполяції наявних даних з області великих доз опромінення (оскільки реальний вихід стохастичних наслідків в області малих доз невідомий).

Таблиця 2 – Значення тканинних зважуючих факторів (WT)

Тканина або орган
WT
Гонади (статеві залози)
0.20
Червоний кістяний мозок
0.12
Товста кишка
0.12
Легені
0.12
Шлунок
0.12
Сечовий міхур
0.05
Молочна залоза
0.05
Печінка
0.05
Стравохід
0.05
Щитовидна залоза
0.05
Шкіра
0.01
Кісткова поверхня
0.01
Інші тканини і органи (наднирки, нирки, головний мозок, дихальні шляхи позагрудної області, мишці, матка, селезінка, тонка кишка, підшлункова і вилочкова залоза)
0.05
Все тіло
1.00
На відміну від стохастичних ефектів, не стохастичні (детерміновані) виявляються лише при отриманні певних доз (табл.3).

Таблиця 3 – Значення доз, нижче яких виключено виникнення не стохастичних (детермінованих) ефектів

Орган, тканина
Не стохастичний
(детермінований) ефект
Доза, Гр
Все тіло
Блювота
0,5
Кістяний мозок
Смерть
1,0
Шкіра
Опік, тимчасова епіляція
3,0
Легені
Пневмонія
5,0
Легені
Смерть
10
Щитовидна залоза
Порушення, деструкція залози
10
Абсолютні значення факторів підібрані так, щоб їх сумарна величина дорівнювала одиниці. Це дозволяє трактувати тканинні зважуючі фактори, як набір коефіцієнтів, що визначають відносні вклади відповідних органів в сумарний вихід стохастичних наслідків, що виникають при рівномірному опроміненні всього організму. Самим радіочутливим органом по критерію виходу цих наслідків є статеві залози, повністю відповідальні за генетичні ефекти і частину соматичних стохастичних наслідків опромінення.

Фізичний сенс поняття ефективної дози наступний: значення ефективної дози (Е) відповідає такому рівню рівномірного опромінення всього організму, при якому сумарний вихід стохастичних наслідків опромінення у нього буде таким же, як і в разі локального опромінення органу (Т) еквівалентною дозою величиною (Н):

Е = Н • WT

За одиницю ефективної дози в системі СІ теж був прийнятий зіверт (Зв). При рівномірному опроміненні – ефективна доза дорівнює еквівалентній дозі. При нерівномірному опроміненні – ефективна доза дорівнює добутку еквівалентної дози на тканинний зважуючий фактор, або дорівнює такій еквівалентній дозі (при рівномірному опроміненні), яка створює такий же ризик небажаних наслідків.

Виміряти ефективну дозу опромінення організму неможливо. Її розраховують як суму добутків еквівалентних доз (Н) в окремих органах і тканинах на відповідні значення зважуючих факторів (WT), що зважують, вказаних в таблиці 2.

Ефективна доза є мірою виходу стохастичних наслідків біологічної дії малих доз опромінення на даного індивіда, тобто вона є міра індивідуальної небезпеки, обумовленої дією на організм малих доз іонізуючих випромінювань.

Для фотонного випромінювання введена специфічна величина в дозиметрії – експозиційна доза. Чисельно вона дорівнює абсолютному значенню повного заряду іонів одного знаку, утворених в одиниці маси повітря при повному гальмуванні електронів і позитронів, звільнених фотонами (рентгенівським випромінюванням). Тобто, це повітряноеквівалентна одиниця дози, яка не призначена для дозиметрії в речовині.

Одиницею виміру експозиційної дози в системі СІ є кулон/кг (Кл/кг), позасистемною одиницею є рентген (Р).

1 Р = 2,58 • 10-4 Кл/кг (точно).

Експозиційну дозу можна використовувати для наближеної оцінки поглиненої і експозиційної доз в речовині (табл. 4).

Таблиця 4 – Перерахунок доз для гама-випромінювання (мишці)

Величина
Система
Одиниця
Перерахунок в:
Експозиційна доза
СИ
Кл/кг
Поглинену
1 P ~ 0,0091 Гр ~0,96 рад
Позасистемна
Р
Еквівалентну
1 Р ~ 0,0091 Зв ~0,91 бер
Поглинена доза
СИ
Гр
Експозиційну
1Гр = 100 рад ~110 Р
Позасистемна
рад
Еквівалентну
1 Гр = 1 Зв=100 бер
Еквівалентна доза
СИ
Зв
Експозиційну
1 Зв ~110 Р
Позасистемна
бер
Поглинену
1 Зв = 100 бер = 1 Гр