Романцов В.П., Романцова И.В., Ткаченко В.В. Сборник лабораторных работ по Дозиметрии и защите от ионизирующего излучени

RBET,R

Многочисленные исследования показали, что при облучении одних и тех же биологических объектов ОБЭ зависит от рассматриваемого эффекта, дозы и мощности дозы, вида излучения, его энергии, ЛПЭ и т.д.

Непосредственное использование коэффициента

излучения ограничено случаями оценки рисков возникновения специфических эффектов – детерминированных эффектов излучения.

Для учета качества излучения в условиях хронического облучения людей в малых дозах, когда единственным гипотетическим последствием облучения может быть развитие стохастических эффектов излучения, МКРЗ5 рекомендует вместо RBET,R

использовать два показателя качества излучения, значения которых зависят от свойств излучения, но принимаются одинаковыми для всех стохастических эффектов излучения:

-взвешивающий коэффициент излучения wR;

-средний коэффициент качества излучения Q .

Основной областью применения коэффициента качества излучения служит мониторинг полей внешнего излучения, поэтому он определен как функция измеряемого показателя качества излучения – его ЛПЭ (см. формулу (14)).

Области применимости характеристик качества излучения приведены в табл. 1.

Детерминированные эффекты излучения возникают при облучении большими дозами. Научной основой для оценок риска развития этих эффектов являются результаты изучения последствий аварийного облучения людей. К детерминированным эффектам относят

острую и хроническую лучевые болезни;

локальные поражения органов или тканей (например, радиационные ожоги);

лучевую катаракту;

аномалии и врожденные пороки развития новорожденных, являющиеся детерминированными эффектами облучения плода в эмбриональном периоде.

5 МКРЗ – Международная комиссия по радиологической защите.

21

									Таблица 1
				Величины, характеризующие качество излучения
Величина и область ее						Свойство		Метод
	использования							определения
RBET,R				Оценка	риска	Характеризует	облучение в	Определяется
				развития	де-	зависимости от его свойств,		в радиобиоло-
				терминирован-		свойств биологического объек-		гическом			экс-
				ных эффектов		та и изучаемого биологическо-		перименте
						го эффекта
wR				Оценка	риска	Характеризует	воздействие	wR устанавли-
				развития стоха-		источника излучения на чело-		вается		на	ос-
				стических	эф-	века в зависимости от свойств		нове		обобще-
				фектов		излучения, падающего на тело		ния	значений
				Радиационная		человека (внешнее облучение)		ОБЭ	для		сто-
				безопасность		или возникающего при ядер-		хастических
				(ограничение		ном превращении радиоактив-		эффектов			и
				облучения)		ных ядер внутри тела человека		трансформа-
						(внутреннее облучение)		ции		клеток
								млекопитаю-
								щих in vitro
				Радиационная		Характеризует	передачу энер-	Зависимость
Q
				безопасность		гии излучения	биологической	Q(L) устанав-
				(радиационный		ткани в зависимости от распре-		ливается			на
				контроль)		деления поглощенной дозы по		основе		согла-
						ЛПЭ в точке передачи энергии		сования с при-
						излучения веществу		нятыми
								значениями wR

В основе этих эффектов излучения, в первую очередь, лежит поражение (ограничение функциональной активности и гибель) значительного количества клеток облученного органа. В отношении таких эффектов предполагается существование дозового порога, ниже которого эффект отсутствует, а выше – тяжесть эффекта зависит от дозы: чем больше повреждено клеток, составляющих ткань, тем сильнее нарушаются ее структура и функция. Значение пороговой дозы определяется радиочувствительностью клеток облученного органа или ткани и способностью организма компенсировать или восстанавливать такое поражение. Увеличение дозы сопровождается возрастанием числа поврежденных клеток в критических популяциях, вследствие чего детерминированные эффекты становятся более выраженными и быстрее приводят к гибели. При ограниченном объеме

22

поражения ткани функциональные нарушения со временем компенсируются

Основные закономерности развития тяжелых детерминированных эффектов облучения следующие:

в силу вариабельности индивидуальной радиочувствительности людей любой эффект характеризуется диапазоном значений пороговых доз;

различные ткани даже одного органа отличаются по радиочувствительности, поэтому с ростом дозы облучения может изменяться биологический эффект, возникновение которого в конечном итоге приводит к тяжелому заболеванию или смерти;

с ростом дозы облучения растет тяжесть эффекта, которую отражает сокращение времени дожития (промежутка времени между облучением и смертью);

с уменьшением мощности дозы и увеличением протяженности облучения во времени риск развития детерминированного эффекта уменьшается благодаря восстановлению функций пораженного органа.

Дозиметрические характеристики облучения – поглощенная доза облучения органа и коэффициент относительной биологической эффективности присутствуют в виде произведения, кото-

рое получило название ОБЭ-взвешенная доза облучения органа или ткани. ОБЭ-взвешенная доза предназначена для оценки риска развития детерминированных эффектов излучения с учетом влияния на этот процесс качества излучения и радиочувствительности облучаемого органа. Эта величина равна произведению поглощенной дозы излучения R в органе или ткани Т на

коэффициент относительной биологической	эффективности
( RBET,R ) излучения R для развития определенного детермини-
рованного эффекта в органе Т:
ADT DT,R RBET,R .	(32)

R

Единица измерения ОБЭ-взвешенной дозы – Дж/кг или грей

(Гр).

ОБЭ-взвешенная доза является новой дозиметрической величиной, предназначенной для характеристики аварийного облу-

23

чения. Ее введение в практику является результатом анализа уроков реагирования на радиационные аварии.

Научной основой для оценок риска развития стохастических эффектов являются результаты продолжающегося уже почти 50 лет эпидемиологического исследования последствий атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки в 1945 г. Согласно модели, предложенной специалистами по радиационной безопасности, частота возникновения радиогенных раков в облученной когорте прямо пропорциональна частоте возникновения тех же раков в необлученной популяции, из представителей которой была составлена когорта. Между облучением и диагностированием заболевания могут проходить годы скрытого (латентного) развития радиогенного рака. Риск развития этого эффекта излучения определяется при этом как вероятность (частота) возникновения рака определенного типа у человека конкретного пола спустя заданное число лет после однократного облучения его органа Т в заданном возрасте.

В случае развития стохастических эффектов относительная биологическая эффективность излучения слабо зависит от свойств облучаемого органа, поэтому вместо RBET,R для харак-

теристики этих эффектов применяется соответствующий взвешивающий коэффициент только излучения wR. Произведение поглощенной дозы облучения органа и взвешивающего коэффициента излучения получило название эквивалентной дозы облучения органа или ткани. Эквивалентная доза предназначена для оценки риска развития стохастических эффектов излучения с учетом влияния качества излучения:

H T DT,R wR .	(33)
R

Единица эквивалентной дозы Дж/кг называется зиверт (Зв). Установленные МКРЗ и принятые в НРБ-99/2009 значения wR

для различных излучений R приведены в табл. 2.

Основным полем применения эквивалентной дозы является оценка вероятности развития радиогенного рака вследствие облучения. Такая оценка является ключевым этапом определения вероятностной обусловленности диагностированного рака профессиональным облучением.

24

Таблица 2

Взвешивающие коэффициенты излучения wR

Излучение	wR	Излучение	wR
Фотоны, электроны и мюоны	1	Нейтроны с энергией	5
любых энергий*		менее 10 кэВ
Протоны с энергией более	5	От 10 до 100 кэВ	10
2 МэВ (кроме протонов отда-		От 100 кэВ до 2 МэВ	20
чи)
Альфа-частицы, осколки де-	20	От 2 до 20 МэВ	10
ления, тяжелые ядра		Более 20 МэВ	5

* за исключением электронов Оже, испущенных вследствие радиоактивного распада ядрами, связанными с ДНК

Дозиметрическая величина, служащая для численного выражения критерия обеспечения радиационной безопасности, должна удовлетворять ряду специальных требований:

-универсальность характеристики облучения человека, пригодной для использования при практическом следовании принципам радиационной безопасности;

-аддитивность функции дозы облучения для того, чтобы на практике можно было организовать простой мониторинг для ее оценки;

-применимость для оценки рисков, обусловленных широким спектром радиогенных раков и генетических эффектов излучения;

-применимость для оценки рисков, обусловленных широким спектром условий облучения.

Вкачестве такой величины МКРЗ предложила использовать

эффективную эквивалентную дозу или, сокращенно, эффективную дозу.

Вкачестве оцениваемого эффекта излучения было принято сокращение продолжительности нормальной жизни в результате развития тяжелого стохастического эффекта излучения. Результатом такого события является нанесение заболевшему ущерба, равного потере 15-ти лет плодотворной жизни. Эффективная доза Е определена как функционал, равный сумме произведений эквивалентных доз HT облучения отдельных органов и тканей

25

тела человека на соответствующие взвешивающие коэффициенты wT:

E wT H T wT wR DТ,R.		(34)
T	T,R

В основе определения взвешивающих коэффициентов органов и тканей wT лежит анализ ущербов, связанных с облучением отдельного органа и всего тела.

Эффективная доза удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям к дозиметрической величине. В таблице 3 приведены значения взвешивающих коэффициентов органа или ткани для определения эффективной дозы, установленные МКРЗ в

1990 г.

Таблица 3 Взвешивающие коэффициенты органа или ткани для

определения эффективной дозы

Орган или ткань	wT
Гонады	0,20
Желудок	0,12
Костный мозг (красный)	0,12
Легкие	0,12
Толстый кишечник	0,12
Грудная железа	0,05
Мочевой пузырь	0,05
Печень	0,05
Пищевод	0,05
Щитовидная железа	0,05
Клетки костных поверхностей	0,01
Кожа	0,01
Остальное (надпочечники, головной мозг, экстраторокаль-	0,05
ный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки,
мышечная ткань, поджелудочная железа, селезенка, ви-
лочковая железа, матка)

Эффективная доза является нормируемой величиной, значение которой определяется параметрами (wT, wR и др.), относящимися к «стандартному» человеку. Ее не рекомендуется использовать для эпидемиологических и ретроспективных оценок последствий облучения и риска для конкретного индивида. Для

26

этих целей МКРЗ рекомендует использовать эквивалентную дозу облучения отдельных органов и тканей в сочетании с индивидуальными особенностями развития эффектов излучения.

Если известен энергетический состав ионизирующего излучения, активность источника и условия облучения человека, возможен численный расчет эффективной дозы. Эти значения получаются расчетом переноса излучения в органы и ткани численным интегрированием поглощенной энергии по их объемам с последующим суммированием с соответствующими взвешивающими коэффициентами wT. В таблице 4 представлены значения мощности эффективной дозы Е для различных энергий фотонов, рассчитанные для единичной плотности потока ( = 1 см-2 с-1) и различных геометрий облучения. Геометрия облучения называется изотропной (ИЗО) в том случае, если объект (человек) облучается со всех сторон равномерно, передне-задней (ПЗ) – если облучение производится параллельным пучком и попадает на человека спереди (со стороны лица).

Таблица 4 Значения мощности эффективной дозы Е для единичной плотности потока в передне-задней геометрии (ПЗ) и изотропной геометрии (ИЗО) и от-

ношения мощности экспозиционной дозы											к мощности эффективной
									X
дозы E (ПЗ) для различных энергий фотонов
		Е (ПЗ),				Е (ИЗО),									Р
	, кэВ												X	,
		10	-12	Зв см	2	10	-12	Гр см		2					Зв
													E(ПЗ)
	10		0,0485				0,0201					1754
	15		0,125				0,0384					2860
	20		0,205				0,0608					943
	30		0,300				0,103					276
	50		0,357				0,165					104
	100		0,517				0,278					083
	200		1,00				0,581					098
	500		2,47				1,61					111
	1000		4,48				3,21					115
	4000		12,0				9,97					116
	10 000		23,8									116
						27

Главная область применения эффективной дозы – радиационное нормирование. Именно численные значения эффективной дозы выражают пределы доз облучения персонала и населения, которые не представляют опасности для здоровья человека, к тому же при определении эффективной дозы учитываются все возможные источники излучения и способы облучения. Характеристикой уровня обеспечения радиационной безопасности является годовая эффективная доза, которую работник получает на своем рабочем мечте. Она равна сумме оценок эффективной дозы внешнего облучения, полученной за год, и ожидаемой эффективной дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением радиоактивных веществ в организм за тот же период времени.

Основным документом, регламентирующим уровни воздействия ионизирующих излучений в РФ, являются «Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009», основанные на общепринятой концепции биологического действия ионизирующих излучений. В отношении ограничения техногенного облучения в Нормах осуществляется двойное нормирование:

-ограничение риска возникновения стохастических эффектов излучения путем ограничения величины годовой эффективной дозы;

-предотвращение возникновения детерминированных эффектов излучения путем ограничения величины годовой эквивалентной дозы в органах и тканях, которые могут облучаться локально, а вероятность возникновения стохастических эффектов в них близка к нулю (эта ситуация возможна, в основном, только для персонала).

В соответствии с Нормами выделяется две категории облучаемых лиц – персонал и население. Согласно Нормам, персонал любой организации, где эксплуатируются техногенные источники излучения, подразделяется на две группы – А и Б. К персоналу группы А относятся лица, непосредственно работающие с техногенными источниками излучения. Лица, находящиеся по условиям работы в сфере воздействия этих источников, относятся к персоналу группы Б. Для каждой из категорий устанавливаются три класса нормативов: основные пределы доз, допустимые уровни и контрольные уровни. Числовые значения основных пределов доз для персонала и населения представлены в табл. 5.

28

		Таблица 5
	Основные пределы доз
Нормируемая	Предел дозы, мЗв
величина	Персонал (группа А)*	Население
Эффективная доза	20 мЗв в год в среднем за	1 мЗв в год в сред-
	любые последователь-	нем за любые по-
	ные пять лет, но не более	следовательные
	50 мЗв в год	пять лет, но не
		более 5 мЗв в год
Эквивалентная доза
за год
в хрусталике глаза	150	15
в коже	500	50
в кистях и стопах	500	50

* Основные пределы доз, как и все остальные допустимые уровни облучения персонала группы Б, равны ¼ значений для персонала группы А.

Операционные величины внешнего облучения

Операционная величина – эквидозиметрическая величина, однозначно определяемая через физические характеристики поля излучения в точке, максимально возможно приближенная в стандартных условиях облучения к нормируемой величине и предназначенная для консервативной оценки этой величины при дозиметрическом контроле. Введение в практику радиационного контроля операционных величин необходимо, в первую очередь, для унификации методов контроля и определения требований к функции отклика приборов радиационного контроля.

В определении операционных величин внешнего облучения используется эквивалент дозы H, который равен поглощенной дозе в точке, умноженной на средний коэффициент качества для

излучения, воздействующего на ткань в данной точке:

			dD(L)
	Н Q(L)
				dL Q D ,			(35)
			dL
	0
		29

dL

dD( L )

где функция распределения поглощенной дозы по ли-

нейной передаче энергии L в заданной точке; Q(L) – зависимость коэффициента качества излучения от L; D – поглощенная

доза в заданной точке; Q средний коэффициент качества излучения.

Единица эквивалента дозы Дж/кг, называется зиверт (Зв). Операционные величины являются величинами, соподчинен-

ными с эквидозиметрическими величинами, используемыми для оценки стохастических эффектов излучения. Для обеспечения этой соподчиненности МКРЗ регламентировала зависимость коэффициента качества излучения Q(L) от ЛПЭ:

		1			при L 10	кэВ/мкм,
		L 2,2			при 10 L 100	кэВ/мкм,	(36)
Q(L) 0,32
	300 L
					при L 100 кэВ/мкм.

При такой зависимости Q(L) на глубине 10 мм в шаровом фантоме МКРЕ6 для всех проникающих излучений (нейтронов и фотонов), для которых были установлены значения wR, выполня-

ется равенство

1

dD

(L)

Q

Q(L)

R

dL wR ,

(37)

D

dL

R 0

где dD(l) dL – поглощенная доза излучения R в точке взаи- dl

модействия излучения с веществом, обусловленная частицами с ЛПЭ в интервале (L, L+dL).

Операционной величиной внешнего облучения для контроля радиационной обстановки принят амбиентный эквивалент дозы (амбиентная доза)7 H*(d), который используется для параметри-

6МКРЕ – Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям.

7Перевод англоязычного термина ambient (от лат. аmbi – кругом, вокруг, с обеих сторон) dose equivalent – эквивалент дозы, характеризующей радиационную обстановку.

30