4

величиной. Для определения дозы ионизирующего излучения применяются экспериментальные и расчётные методы. Поглощённая доза является физической величиной, она воспроизводима и её размер может быть передан по метрологической цепочке от государственного эталона к рабочему прибору.

Знание дозы излучения необходимо при проведении радиобиологических исследований по действию ионизирующих излучений на живой организм или его отдельные органы и ткани. Доза излучения является главенствующим фактором в оценке и предупреждении радиационного вреда. Одним из мощных методов лечения онкологических заболеваний является «лучевая» терапия. Врачирадиологи предъявляют чрезвычайно жёсткие требования к неопределённости определения доз в облучаемом органе и окружающих тканях, так как ставится задача обеспечить максимальную дозу в опухоли с минимальным повреждением здоровых тканей. Дозиметристы должны обеспечить точность определения доз, сравнимую с государственным эталоном.

Близкие требования по уровню неопределённости ставят производители одноразовых шприцов, которые подвергаются радиационной стерилизации: малые дозы не уничтожают микроорганизмы, слишком большие – разрушают полимерный материал.

Если до Великой Отечественной войны дозиметрическая наука, в основном, была связана с обеспечением информацией врачейрадиологов, то в конце войны и во все последующие годы расширился и круг задач, и круг лиц, нуждающихся в дозиметрической информации. Вспомним, что 1942 г. был запущен первый ядерный реактор, началось облучение урана с последующей химической переработкой для выделения плутония. Продукты деления после выдержки сливались в баки, но часть их попадала в окружающую среду. Ради жизни и независимости Советский Союз был вынужден принять вызов, брошенный вчерашними союзниками по войне. В короткое время на Урале были созданы промышленные реакторы, цеха радиохимического и плутониевого заводов. В июне 1948 г. был пущен первый советский промышленный реактор. Персонал столкнулся с действием не только внешнего гамма˗излучения, но и радиоактивных газов и аэрозолей. Становление первого советского промышленного комбината и как решались проблемы дозиметрии и медицины увлекательно и исторически верно описаны в книге

21

выдающегося врача-радиолога А.К. Гуськовой «Атомная отрасль страны глазами врача». Приборное и методическое обеспечение отставало от запросов времени. Индивидуальными дозиметрами были рентгеновские плёнки и карманные ионизационные камеры. Сохранились журналы с записью показаний детекторов, и сейчас ведётся кропотливая работа по расчётно-экспериментальному моделированию полей излучения для восстановления «истинных» значений доз внешнего и внутреннего облучения.

Освоение космического пространства, ввод в эксплуатацию ускорителей для генерации заряженных частиц высокой энергии поставили новые задачи перед дозиметрией. Высокоэнергичные частицы тратят энергию не только на ионизацию, но и вступают в ядерные реакции в среде, где они распространяются. Появляется множественность частиц. Оказалось, что вне пучков основную опасность представляют быстрые нейтроны.

Ещё в 1935 г. Р. Зиркле (R. Zircle) обнаружил, что одинаковый биологический эффект возникает при разных дозах облучения рентгеновскими лучами и ˗частицами. Он впервые предложил термин «биологическая эффективность» и связал её с концентрацией пар ионов вдоль трека, т.е., говоря современным языком, с линейной передачей энергии заряженными частицами. Относительная биологическая эффективность (ОБЭ), т.е. отношение дозы рентгеновского и γ-излучения к дозе любого другого вида излучения при одинаковых проявлениях зависит от многих факторов, в том числе от принятого биологического теста.

После долгих обсуждений в 1954 г. МКРЗ рекомендовала конкретные значения ОБЭ в зависимости от линейной плотности ионизации или от средних линейных потерь энергии в воде.

В 1955 г. В. Снайдер и Дж. Нойфельд впервые применили метод Монте-Карло для получения ОБЭ тепловых нейтронов в фантоме человека. Рекомендованные экспертами коэффициенты ОБЭ легли в основу коэффициентов качества, . Значения были представлены в виде гистограммы в зависимости от ЛПЭ.

В 1955 г. Росси и Розенцвейг (Rossi H.H., Rosenzweig W.W.)

предложили конструкцию сферического пропорционального счётчика низкого давления для измерения спектра ЛПЭ. Появилась инструментальная база для определения коэффициента качества. В

22

1977 г. МКРЗ издала Публикацию 26, в которой ввело понятие «эквивалент дозы», обозначаемый символом :

где	−	= ∙ ,	−	ко-
		поглощённая доза в рассматриваемой точке ткани,

эффициент качества.

Через год еденице эквивалента дозы было присвоено наименование зиверт. Название дано в честь шведского учёного Р. Зиверта

– первого председателя МКРЗ, созданной в 1928 г. Зиверт равен эквиваленту дозы (или эквивалентной дозе), при которой произведение поглощённой дозы в биологической ткани стандартного состава на средний коэффициент качества равно 1 Дж/кг.

Следует отметить, что эквивалент дозы не строго физическая величина, поскольку не характеризует какое-либо физическое свойство материи. И.Б. Кеирим-Маркус проводит аналогию со светотехническими величинами, «с помощью которых учитывают биологическую характеристику зрения формализованную в регламентированной кривой видности – средней чувствительности человеческого глаза к световому излучению с разной длиной волны. Фактически сила света – это произведение физической величины (потока световой энергии) на регламентированный эмпирический коэффициент, зависящий от длины волны (или от энергии фотонов) света. Эквивалент дозы – произведение физической величины (поглощённой дозы) на регламентированный эмпирический коэффициент качества, зависящий от другой физической величины (линейной передачи энергии)».1

В 1990 г. МКРЗ отмечает, что в силу недостаточности радиобиологических данных, детализация и повышение точности описания ( ) не оправданы. Комиссия выбрала в качестве весовых множителей излучения, , величины основанные на рассмотрении биологической информации, различных условий облучения и изучения результатов традиционных расчётов амбиентного эквивалента дозы.

Для электронов, позитронов и мюонов, α-частиц, осколков де-

ления, тяжёлых ядер значения коэффициента	равны коэффици-
ентам качества. При этом весовые множители излучений		отно-

1 Кеирим И.Б. Эквидозиметрия. – М.: Атомиздат, 1980. 23

сятся к излучению, падающему на тело человека или испущенному внутренним источником. В это же время укрепилось стремление детализировать возможный ущерб, наносимый радиацией отдельным органам. Ранее за оценку критерия безопасности принималась доза в критическом органе, т.е. там, где она максимальна. В конце 80-х годов прошлого столетия пришли к заключению о необходимости определять среднюю поглощённую дозу в органе или ткани, рассчитывать эквивалентную дозу путём умножения на и учитывать радиационную чувствительность какого-либо органа с по-

мощью тканевого весового множителя .	Сумма тканевых весо-
вых множителей равна единице. Тогда жет	было введено понятие

«эффективная эквивалентная доза», которой не совсем удачно при-

своили символ	:			.
Эффективная	эквивалентная доза предназначена исключительно
	= ∑	∑	,

для расчётных оценок в области радиационной безопасности,. ко-

эффициенты	и	не являются физическими величинами.
Каждому	индивидуумуТ , подвергающемуся облучению, в его

персональный учётный документ должна заноситься эффективная эквивалентная доза, которую нельзя измерить. Поэтому были предложены операционные величины: амбиентный эквивалент дозы для мониторинга производственных помещений и окружающей среды и индивидуальный эквивалент дозы. При этом принято, что при облучении всего тела человека проникающим излучением толщина тканеэквивалентного слоя до чувствительного объёма дозиметра должна быть 10 мм. В особых случаях толщины будут другими.

Все, что здесь было написано, относится к пролонгированному облучению малыми дозами. До сих пор не утихает дискуссия вокруг концепции линейной зависимости биологических эффектов от величины дозы. Публикация 103 МКРЗ (2007 г.) считает, что до 100 мЗв/год (область умеренных доз) зависимость линейна. До 100 мЗв/год следует использовать эквиваленты доз, а при больших значениях следует переходить к поглощённым дозам раздельно для фотонного и нейтронного излучений.

Большую роль в становлении отечественной дозиметрии сыграли К.К. Аглинцев, И.В. Поройков, М.Ф. Юдин, И.Б. КеиримМаркус, О.И. Лейпунский, В.И. Иванов, Е.Е. Ковалёв, Б.М. Исаев, В.Н. Лебедев.

24

Научные проблемы дозиметрии были освещены в ряде фундаментальных монографий: «Радиационная дозиметрия» под редакцией Хайна и Браунелла, вышедшая в русском переводе, “Radiation Dosimetry” под редакцией F.N. Attix, W.C. Roech (1968), G. Shani “Radiation instrumentation and Methods” (1991), К.К. Аглинцев «До-

зиметрия ионизирующих излучений» (1957).

Несмотря на солидный возраст, эти книги не потеряли своей значимости в наши дни, хотя и требуют дополнений и поправок в связи с прогрессом науки.

Мы не можем не выделить первый учебник по дозиметрии, написанный В.И. Ивановым «Курс дозиметрии», выдержавший 4 издания. На этой книге воспитаны сотни специалистов, связанных с изучением и применением ионизирующих излучений. Книга номинировалась на Государственную премию и прошла несколько отборочных туров. Только безвременная смерть В.И. Иванова не позволила её автору получить вторую Государственную премию. Курс дозиметрии в МИФИ целиком был поставлен В.И. Ивановым. Он был чрезвычайно чуток к новым веяниям в науке. С его именем связано становление в стране новой ветви радиационной физики - микродозиметрии. Он первым в стране поднял проблему риска при использовании высоких технологий и дал определение приемлемого риска. После аварии на Чернобыльской АЭС В.И. Иванов был назначен заместителем руководителя дозиметрической комиссии при президенте АН СССР. Его знания, талант общения с людьми помогали не только принимать научно обоснованные решения, но и убеждать людей в правильности этих решений.

За годы после выхода учебника «Курс дозиметрии» накопилось много нового материала, изменился подход к нормированию излучений, появились новые единицы и методы измерения доз. Дозиметрия в медицине приобрела массовый характер, а там своя специфика. Всё это побудило к созданию нового учебного пособия «Дозиметрия ионизирующих излучений».

25

Глава 1. Строение вещества

1. Вещество и энергия

Существование мира определяется двумя основными понятиями: вещество и энергия. Эти два понятия обладают свойством взаимного превращения и существуют в мире в различных формах. В то время как вещество имеет определенные размеры, конфигурацию и форму, энергия существует в различных формах, но не имеет размера.

Вещество представляет вид материи, обладающей массой покоя, и состоит из мельчайших частиц, называемых атомами. В атомной физике единицей массы является атомная единица массы (аем), равная 1,66×10-27 кг.

Энергия чрезвычайно емкое и разнородное понятие, которому очень сложно дать единое определение. В одних случаях под энергией понимают способность данной системы тел, находящихся в данных условиях, совершить некоторое, вполне определенное количество работы, в других – универсальную величину, способную связать все разделы физики в рамках единого закона сохранения энергии, в третьих – некую мистическую силу, ответственную за все непонятные и необъяснимые явления. Энергия может существовать в различных формах: кинетическая энергия (обусловлена движением вещества); потенциальная энергия (обусловлена взаимным расположением частиц вещества и от их положений во внешнем силовом поле); тепловая энергия (обусловлена движением атомов и молекул вещества); электрическая энергия (обусловлена движением электронов в электрическом поле); химическая энергия (обусловлена химическими реакциями) и излучение или лучеиспускание, или радиация (энергия в движении или испускания и распространения энергии в виде волн и частиц). Энергия может переходить из одной формы в другую. Из всех форм наиболее важное значение в радиационной дозиметрии имеет излучение, поэтому обсудим его свойства более подробно.

Согласно современной физике изменения энергии и массы связаны между собой известной формулой Эйнштейна:

26

E = mc2 ,

(1.1)

где E – энергия; m – масса; с – скорость света в вакууме.

2. Излучение

Излучение является формой энергии в движении через пространство. Оно испускается одним объектом и поглощается или рассеивается другим. Излучения разделяются на два класса:

•Излучения в форме частиц. Примерами таких излучений можно назвать пучки электронов, нейтронов, протонов, α-частиц и др. Они имеют массу и заряд, за исключением нейтронов. Скорость их движения зависит от их кинетической энергии. Эти излучения образуются при радиоактивном распаде, в ядерных реакциях, в космических лучах и т.д.

•Электромагнитные излучения (э.и.). Эти излучения пред-

ставляют форму энергии в движении, которые не имеют массу и заряд и могут распространяться либо как волны, либо как дискретные сгустки энергии, называемые фотонами или квантами. Эти излучения движутся со скоростью света. Они имеют двойственную природу, т.е. проявляют как волновые, так и корпускулярные свойства. В зависимости от длины волны (или частоты колебаний) различают радиоволновое излучение, оптическое излучение (инфракрасное излучение, свет, ультрафиолетовое излучение), рентгеновское и гамма-излучение и др. Диапазоны э.и. условны, они не имеют четких границ и частично могут перекрываться.

Энергия E электромагнитного излучения связана с частотой колебаний ν следующей формулой:

E = hν = hc	,	(1.2)
λ

где h – постоянная Планка, равная 6,625×10-27 эрг·с (6,626×10-34 Дж·с); λ – длина волны в см; ν – частота в Гц; с – скорость света в вакууме, равная 3×1010 см/с.

Энергия электромагнитного излучения обычно измеряется в электронвольтах (эВ) (1эВ = 1,6×10-12 эрг =1,6×10-19 Дж). В этом случае уравнение (1.2) приобретает вид:

	E(эВ) =	1,24 ×10−24	,	(1.3)
		λ
		27

где λ – выражено в см.

Примерные диапазоны изменения частот и длин волн для различных видов электромагнитного излучения представлены в табл. 1.1. Вообще говоря, они не имеют четких границ и могут частично перекрываться. Некоторые характеристики электронов и нуклонов даются в табл. 1.2

Таблица 1.1

Характеристика различных видов электромагнитного излучения

Вид излучения

Энергия (эВ)

Частота (Гц)

Длина волны (см)

Радио и ТВ

10-10 – 10-6

104

– 108

102

– 106

Микроволное

10-6 – 10-2

108 – 1012

10-2 – 102

Инфракрасное

10-2 – 1,0

1012

– 1014

10-4

– 10-2

Видимое

1,0 – 2,0

1014

– 1015

10-5

– 10-4

Ультрафиолетовое

2,0 – 100,0

1015

– 1016

10-6

– 10-5

Тормозное (х-лучи)

100 – 107

1016

– 1021

10-11 – 10-6

и гамма-излучение

Таблица 1.2

Характеристики электронов и нуклонов

Частицы

Заряд

Масса (аем)

Масса (кг)

Масса (МэВ)

Электрон

-1

0,000549

0,9108×10-30

0,511

Протон

+1

1,00728

1,6721×10-27

938,78

Нейтрон

0

1,00867

1,6744×10-27

939,07

3.Атом

3.1.Введение

Сбольшой вероятностью можно утверждать, что греческий философ Демокрит (460 – 370 до новой эры) был первым в истории, кто предложил концепцию атомного строения вещества. Согласно его взглядам вещество представляет пустое пространство, заполненное мельчайшими невидимыми частицами. Однако концепция атома как фундаментального составляющего элемента вещества оставалась не используемой в течение почти двух тысячелетий до тех пор, пока Дальтон не возродил ее в 1808 г. На основе гравиметрических измерений вещества, вступающего в химические реак-

28

ции, Дальтон предположил, что химическую структуру можно было бы интерпретировать в терминах суммарного количества атомов, таким образом предвосхитив концепцию изотопа. Тем не менее понадобилось еще почти два столетия прежде чем были открыты составляющие элементы атомной структуры. Это было сделано Томсоном в результате изучения катодных лучей, которые указали на существование отрицательно заряженных частиц, названных электронами. Это дало основание Перрину и Томсону выдвинуть гипотезу, что в состав атома входят отрицательно и положительно заряженные частицы. В целом же атом нейтрален и его организация представляет некое подобие планетарной системы с равномерным расположением отрицательных и положительных зарядов.

Однако позднее экспериментальные данные по рассеянию α- частиц, полученные Гейгером и Марсденом, противоречили этой модели. Основываясь на этих экспериментальных данных, Резерфорд предположил, что положительный заряд и основная масса атома сосредоточены в атомном ядре диаметром несколько фм, а отрицательные электроны рассредоточены на орбитах по периферии атома диаметром несколько ангстрем. Электроны удерживаются в атоме за счет электростатической силы притяжения. Но такая модель не могла объяснить в рамках классической физики, почему электроны не теряют свою энергию на излучение, вращаясь на орбитах вокруг ядра, и в результате не захватываются ядром. Это было сделано позднее в 1913 г. Бором, основываясь на принципах, противоречащих классической физике. Перед описанием модели Бора введем некоторые определения и обозначения атомной структуры.

3.2. Основные определения атомной структуры

Основными элементарными частицами, из которых состоят атомы, являются протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны называются нуклонами и они образуют ядро атомов. Для характеристики атомов используются следующие понятия:

• атомный номер, Z, равный числу протонов в ядре и числу электронов на орбитах атома;

29

•атомный массовый номер (или массовое число), А, указывающий на суммарное количество нуклонов в ядре;

•атомная масса, M, выражается в единицах атомной массы u, где 1 u равняется 1/12 от массы атома углерод-12 или 931,5 МэВ/с2. Атомная масса М немного меньше, чем сумма масс всех нуклонов ядра из-за внутренней энергии, связывающей все нуклоны внутри ядра;

•атомный грамм-атом (г-атом) равен числу грамм, соответствующих NA атомов элемента, где NA = 6,022×1023 атомов в г- атоме (число Авогадро). Атомные массовые номера всех элементов

определены так, что А грамм каждого элемента содержит точно NA атомов.

Вядерной физике принято обозначать конкретное ядро X в виде

ZA X , где А – атомный массовый номер и Z – атомный номер.

Например, ядро кобальта-60 идентифицируется как 6027 Co . На практике часто приходится определять следующие величины:

•число атомов Na на единицу массы элемента: Nma = NAA ;

•число электронов на объем V элемента: Z NVa = ρZ Nma ;

•число электронов на массу m элемента: Z Nma = Z NAa .

Если принять, что масса молекулы равна массе всех атомов, входящих в состав молекулы, то для любого молекулярного соединения в г-моль соединения содержится NA молекул при условии, что г-моль определяется как сумма атомных массовых номеров атомов, образующих молекулу. Например, г-моль воды H2O равен 18 г воды и г-моль углекислого газа CO2 равен 44 г углекислого газа. Таким образом, 18 г воды и 44 г углекислого газа содержат точно по NA молекул, или по 3 NA атомов.

В заключение раздела приведем еще несколько понятий:

•нуклид – вид атомов с данными числами протонов и нейтронов в ядре;

•изотоп – нуклид с числом протонов в ядре, свойственным данному элементу;

30