Эффективная доза.

Эффективная доза представляет собой разновидность эквивалентной дозы, рассчитываемой для всего тела, поэтому первоначально использовали термин «эффективная эквивалентная доза» (ЭЭД). Эффективная доза (ЭД) позволяет оценить ущерб здоровью человека, прежде всего, при расчете риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека с учетом радиочувствительности отдельных его органов и тканей. Расчет эффективной дозы особенно важен при неравномерном облучении тела.

ЭД необходима, в первую очередь, для оценки канцерогенности и генетической патологии. Например, при одинаковой эквивалентной дозе излучения на легкие и щитовидную железу возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе. Облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому при расчете эффективной дозы на все тело, эквивалентные дозы облучения разных органов и тканей следует учитывать с разными тканевыми коэффициентами (0,12 – костный мозг и легкие, 0,05 - печень и 0,01 - кожа). Эти коэффициенты радиационного риска отражают естественную склонность органа к малигнизации под воздействием радиации. Для их вычисления были использованы большие статистические материалы по опухолям.

ЭД для всего тела определяется как сумма произведений эквивалентных доз в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты для данных органов или тканей:

Коллективная эквивалентная доза в ткани используется для вычисления эквивалентной дозы в конкретной ткани или органе у группы лиц. Она равна произведению средней эквивалентной дозы и органе или ткани на число облученных лиц и измеряется в человеко-зивертах (чел-Зв).

Коллективная эффективная доза.

Коллективная ЭД - это суммарная доза, полученная путем сложения индивидуальных ЭД по группе облученных людей, измеряется в человеко-зивертах. Этот показатель используют эпидемиологи как меру коллективного риска возникновения стохастических (вероятностных) эффектов облучения в виде онкологических заболеваний и наследственной патологии. Зная величину коллективной дозы, можно оценить масштаб радиационного поражения. Этот показателя дает возможность применять статистические методы усреднения, которые позволяют прогнозировать последствия, включая риск заболеваний. Определенная индивидуальная доза не обязательно приведет данного конкретного человека к смерти от рака или другого заболевания, но в массе облученных людей предсказанное число таких событий обычно осуществляется.

Все виды ядерных излучений могут быть обнаружены только по их взаимодействию с веществом. Обнаружение и регистрация излучений, выбор материала для защиты, оценка биологического действия излучений основаны на эффектах, которые возникают при взаимодействии излучений с веществом. Механизм прохождения через вещество каждого вида излучений разный.

Взаимодействие рентгеновских и γ-излучений регистрируется по трем основными механизмами (способами) :

– фотоэлектрического поглощения (фотоэффекта),

– комптоновского рассеяния (комптон-эффекта),

– образования электронно-позитронных пар.

При фотоэлектрическом эффекте энергия фотона полностью поглощается и расходуется на отрыв связанного электрона от атома и придание ему кинетической энергии. Электрон вырванный из поля атома, производит ионизацию других атомов. Чем ближе электрон к ядру, тем больше энергия его связи с ядром. Место выбитого электрона занимает электрон с более высокой орбитали. Фотоэффект характерен для мягкого гама-излучения с энергией от 1 до 500 кэВ.

Комптон-эффект заключается в отклонении фотона от своего первоначального направления с потерей или без потери энергии. При энергии от 0,5 до 1 МэВ фотон выбивает электрон с передачей ему части своей энергии и меняет направление своего движения, что получило название комптоновского рассеяния. Выбитые электроны, получив кинетическую энергию, продолжают в свою очередь ионизировать другие атомы.

Образование электронно-позитронных пар. Третий вид взаимодействия излучений с веществом - превращение гамма-кванта больших энергий (свыше 1 МэВ) в пару заряженных частиц позитрона и электрона, которые производят ионизацию других атомов.

В результате каждого из трех процессов взаимодействия излучения с веществом в облученной среде возникает большое количество быстро движущихся электронов. Значительная часть их обладает энергией, достаточной для ионизации вещества.

Взаимодействие заряженных частиц с веществом. Механизм передачи энергии заряженными частицами облучаемому веществу один и тот же. При прохождении через вещество заряженная частица теряет свою энергию, вызывая ионизацию и возбуждение атомов до тех пор, пока общий запас энергии уменьшается настолько, что частица утратит ионизирующую способность.

В зависимости от знака заряда при пробеге частицы в веществе она, испытывая электростатическое взаимодействие, притягивается или отталкивается от положительно заряженных ядер. Чем больше масса летящей частицы, тем меньше она отклоняется от первоначального направления. Поэтому траектория протонов и более тяжелых ядерных частиц практически прямолинейна, а траектория электронов сильно изломана вследствие рассеяния (отклонения) на орбитальных электронах и ядрах атомов. Этот вид взаимодействия легких частиц (электронов), при котором практически меняется лишь направление их движения, а не энергия, называют упругим рассеянием. При этом взаимодействии электрон передает лишь небольшую часть своей энергии ядру и меняется первоначальное направление движения. При прохождении электрона очень высокой энергии вблизи ядра наблюдается неупругое рассеяние (торможение). При этом скорость летящего электрона снижается и часть его энергии испускается в виде фотона тормозного излучения. Тормозное излучение – это фотонное излучение, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженной частицы. При неупругом рассеянии наблюдается также взаимодействие частиц с электронами облучаемого вещества, вызывающее ионизацию или возбуждение атомов.

Траектория электрона в веществе имеет сложный вид, связанный с характером взаимодействия. На начальном участке траектория электрона рассеивается на небольшие углы и траектория его мало отличается от прямой линии. С уменьшением энергии электрона (а она колеблется от 20 кэВ до 13,5 МэВ) угол рассеяния увеличивается и электрон начинает двигаться по извилистой кривой.

Взаимодействие нейтронов с веществом. Характер взаимодействия нейтронов с веществом зависит от их энергии. В отличие от заряженных частиц нейтроны не несут электрического заряда, что позволяет им беспрепятственно проникать в глубь атомов. При прохождении пучка нейтронов через вещество могут проявиться два вида их взаимодействия с ядрами вещества в виде упругого и неупругого рассеяния нейтронов.

При упругом рассеянии нейтрон, взаимодействуя с атомами, передает часть энергии пропорционально массам соударяющихся частиц. Если это атом тяжелого элемента, то передается только часть энергии, при этом нейтрон замедляется и вступает в ядерные реакции. Так же при соударении нейтрона с атомом , он может передать такое количество энергии, которой будет достаточно для того, что бы ядро «выскочило» из электронной оболочки. В этом случае образуются заряженные частицы, способные к ионизации среды.

При неупругом рассеянии часть энергии может затрачиваться на нагревание, возбуждение атомов или молекул, ионизацию и т.д. Неупругое взаимодействие характерно для заряженных частиц, которые способны ионизировать среду за счет взаимодействия с электрическим полем атома. Попадая в зону действия электрического поля, положительно заряженные частицы могут тормозиться и отклоняться от направления своего движения, испуская при этом тормозное излучение.

Поэтому вещества, содержащие большое количество атомов водорода (вода), а так же бериллий, графит, парафин и др., используются для защиты от нейтронного излучения: в них нейтроны быстро растрачивают свою энергию и замедляются. Таким образом, и при нейтронном облучении конечный биологический эффект связан с ионизацией, проводимой опосредованно вторичными частицами или фотонами.

Противолучевая защита — комплекс методов и средств, направленных на снижение радиационной нагрузки в условиях воздействия ионизирующего излучения. Для противолучевой защиты используют защитные ограждения, дистанционные приспособления и наиболее рациональные технологии (физическая противолучевая защита) или применяют специальные радиозащитные препараты (фармакологическая противолучевая защита).

Методы и средства физической противолучевой защиты зависят от характера работы, условий применения радиоактивных веществ и видов ионизирующего излучения и предусматривают защиту от внешних потоков излучения и от попадания радионуклидов внутрь организма.

Пробег α-частиц очень мал, поэтому для полной защиты от внешних потоков α-излучения достаточно находиться на расстоянии не ближе 9—10 см от радиоактивного препарата; одежда, резиновые перчатки полностью защищают от внешнего облучения α-частицами.

Для защиты от внешних потоков β-излучения манипуляции с радиоактивными веществами осуществляют за специальными экранами (ширмами) или в защитных шкафах. В качестве защитных материалов используют плексиглас, алюминий или стекло. При энергии β-частиц, не превышающей 3 МэВ, толщина защитного экрана составляет 1,5 см воды или 0,6 см алюминия.

При расчете толщины защитных устройств от γ-излучения необходимо учитывать его спектральный состав, мощность источника, расстояние, на котором находится обслуживающий персонал, и время пребывания в сфере воздействия излучения. В качестве защиты от рентгеновского и γ-излучения используют свинец, бетон и барит, руководствуясь при выборе защитного материала его свойствами, а также требованиями к габаритам и весу.

Наиболее эффективными защитными свойствами от нейтронов обладают вещества, состоящие из химических элементов с малым атомным номером. Обычно применяют воду, полиэтилен.

При работе с открытыми источниками ионизирующих излучений, помимо обеспечения защиты от внешнего облучения, необходимо исключить возможность попадания радиоактивных веществ в организм человека в количествах, превышающих допустимые. Для этого должен быть предусмотрен комплекс мероприятий, предотвращающих радиоактивное загрязнение воздуха и поверхностей рабочих и смежных помещений, одежды и кожи работающих, а также объектов внешней среды. Работы с радиоактивными веществами следует сосредоточивать в одной части здания, уменьшив до минимума проходы через эти помещения. Их отделка и оборудование должны обеспечивать легкую дезактивацию. Кроме того, предъявляется ряд специальных требований к системе вентиляции, организации рабочих мест и технологических режимов, системе сбора и удаления радиоактивных отходов, соблюдению мер личной гигиены и др., зависящих от характера работ с теми или иными радионуклидами, их активности, а также группы радиотоксичности, к которым они принадлежат. Существенным фактором, определяющим эффективность физической противолучевой защиты, является уровень квалификации персонала, работающего в сфере воздействия излучения.

При работе с источниками ионизирующих излучений необходимо физические меры противолучевой защиты сочетать также с правильной организацией труда. Организационные противолучевые мероприятия предусматривают: 1) обязательную предварительную теоретическую и практическую подготовку персонала по технике безопасности; 2) систему дозиметрического и радиометрического контроля облучения персонала и загрязненности рабочих мест; 3) медицинский контроль за состоянием здоровья персонала как вновь поступающего на работу, так и ежегодно в плане диспансерного наблюдения; 4) рациональное размещение рабочих мест персонала в условиях наименьшего облучения.

Одним из способов противолучевой защиты является защита расстоянием, т. е. обеспечение максимально возможного удаления персонала в процессе работы от источников излучения. При переносе радиоактивных препаратов следует пользоваться транспортным контейнером на длинной ручке. Важным способом противолучевой защиты является защита временем, т. е. выполнение рабочих процессов в течение короткого промежутка времени. Критериями, оценивающими качество противолучевой защиты, являются показатели величин мощности дозы излучения на рабочих местах и величина мощности дозы облучения сотрудников.

Радиометрия - обнаружение и измерение числа распадов атомных ядер в радиоактивных источниках либо некоторой доли их по испускаемому ядрами излучению.

Радиоактивные излучения не воспринимаются органами чувств. Наличие радиоактивных веществ на местности нельзя обнаружить визуально (зрительно) или органолептически (с помощью других органов чувств) и поражение людей может происходить незаметно для них. Для своевременного и быстрого обнаружения радиоактивных веществ в воздухе, на местности, различных предметах и в разной среде созданы специальные приборы радиационной разведки, контроля полученных доз облучения и степени загрязнения.

Работа дозиметрических приборов основана на способности излучений ионизировать вещество среды, в котором распространяется излучение. Ионизация в свою очередь является причиной некоторых физических и химических изменений в веществе, которые могут быть обнаружены и измерены. К таким изменениям относятся: увеличение электропроводимости (газов, жидкостей, твердых материалов), люминесценция (свечение) веществ, засвечивание светочувствительных материалов (фотопленок), изменение окраски, прозрачности некоторых химических растворов и др.

В зависимости от природы регистрируемого физико-химического явления, происходящего в среде под влиянием ионизирующих излучений, различают ионизационный, сцинтилляционный, химический, фотографический и другие методы обнаружения и измерения ионизирующих излучений.

Ионизационный метод основан на ионизации атомов и молекул, которая происходит под влиянием ионизирующих излучений в среде (газовом объеме), в результате чего электропроводимость среды увеличивается, что может быть зафиксировано соответствующими электронно-техническими приспособлениями.

В качестве детектора наиболее часто применяется ионизационная камера. Она состоит из двух электродов, между которыми находится газовая среда (воздух или другой газ), которые подключены к источнику питания для создания электрического поля. При отсутствии ионизирующих излучений ток в электрической цепи камеры протекать не будет, так как в ней нет свободных электронов и сопротивление ее бесконечно большое.

Под действием ионизирующих излучений в газовой среде камеры образуются ионы и электроны, которые в результате разности потенциалов на электродах приобретают направленное движение к соответствующим электродам (аноду или катоду). В электрической цепи начинает протекать ток, который регистрируется измерительным приспособлением. Величина ионизационного тока пропорциональна величине излучений. Ионизационные камеры могут иметь различные форму и конструкцию. Сцинтилляционный метод. В некоторых веществах (сцинтилляторах) под действием ионизирующих излучений происходит ионизация и возбуждение атомов. При переходе атомов из ионизированного и возбужденного состояния в основное высвечивается энергия в виде вспышек света (сцинтилляций), которая может быть зарегистрирована различными способами. Сцинтилляции могут быть зарегистрированы наблюдением или же с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) энергия света может быть переведена в электрический сигнал (импульсы электрического тока). ФЭУ совмещает свойства фотоэлемента и усилителя тока с большим коэффициентом усиления –10⁶-10⁹.

В основе сцинтилляционного метода лежит явление люминесценции (холодного свечения вещества), которая вызвана ионизацией и возбуждением атомов, когда входящее в их состав электроны переходят на более высокие энергетические уровни и через некоторое время возвращаются в основное состояние.

По составу сцинтилляторы делят на неорганические и органические, а по агрегатному состоянию – на твердые, пластические, жидкие и газовые. Из неорганических сцинтилляторов для регистрации бета- и гамма-излучений используют йодистый натрий (калий), активированный талием – NaJ (Tl), KJ (Tl); для регистрации альфа-излучений – сернистый цинк, активированный серебром – ZnS (Ag); для регистрации гамма-излучений – йодистый цезий, активированный талием – CsJ (Tl), сернистый кадмий, активированный серебром – СdS (Ag). Применяют также в качестве сцинтилляторов йодистый литий – LiJ, вольфрамат кадмия – CdWO₄, а также инертные газы: аргон (Аг), ксенон (Хе), криптон (Кч).

Люминесцентный метод. Сущность этого метода заключается в том, что в твердом теле – люминофоре – под действием ионизирующих излучений происходит накопление поглощенной энергии, которая может быть затем освобождена при дополнительном возбуждении. В зависимости от дополнительного возбуждения различают радиофотолюминесценцию и радиотермолюминесценцию. Радиофотолюминесценция. Некоторые сорта стекла (фосфатные, активированные серебром) после облучения ионизирующими излучениями становятся люминесцирующими, хотя до воздействия на них излучений такими свойствами не обладали. Свечение вызывается дополнительным воздействием на облученное стекло ультрафиолетовым светом. Радиотермолюмисценция. Значительный интерес представляют термолюминесцентные вещества – фтористый кальций, борат лития, плавиковый шпат, у которых после воздействия ионизирующих лучей люминесценция может быть вызвана последующим их нагреванием.

Химический метод обнаружения ионизирующих излучений основан на способности некоторых веществ в результате воздействия излучений распадаться, образуя новые химические соединения. Возбужденные атомы и молекулы диссоциируют, образуя, свободные радикалы. Образованные ионы и свободные радикалы вступают в реакции между собой или с другими атомами и молекулами, образуя новые вещества, появление и количество которых позволяет судить о наличии и количестве ионизирующих излучений.

Так, хлороформ в воде при облучении распадается с образованием хлороводородной кислоты, которая дает цветную реакцию с красителем (бромкрезолом пурпурным), добавленным к хлороформу. По плотности (интенсивности) окрашивания судят о дозе излучения (поглощенной дозе). Вещества, воспринимающие энергию ионизирующих излучений и преобразующие ее в химическую энергию, могут находиться во всех трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. В качестве химических детекторов, кроме хлороформа, применяются: сульфат железа – FeSO₄ (ферросульфатный детектор); ионы нитрата – NO^-₃ (нитратный детектор); сернокислый церий – Се (SO₄)₂ (цериевый детектор)

Фотографический метод. Фотографические детекторы основаны на свойстве ионизирующих излучений воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов аналогично видимому свету. Для детектирования обычно применяют рентгеновские пленки, представляющие собой чувствительную эмульсию, нанесенную с одной или с двух сторон на целлулоидную подложку. В состав эмульсии входит бромистое или хлористое серебро, равномерно распределенное в слое желатина.

Под действием ионизирующих излучений бромид серебра распадается на бром и серебро. Образовавшиеся мельчайшие кристаллы серебра при проявлении фотопластинки не вызывают почернение. Плотность почернения пропорциональна поглощенной энергии излучения (поглощенной дозе). Сравнивая плотность почернения с эталоном, определяют дозу излучения (экспозиционную или поглощенную). Плотность почернения фотослоя измеряют с помощью специальных приборов – фотометров или денситометров.

К числу достоинств этих детекторов можно отнести возможность массового применения для индивидуального контроля доз, возможность совместной и раздельной регистрации дозы от бета- и гамма-излучений. Недостатки – малая чувствительность пленок, низкая точность, трудоемкость обработки пленок, невозможность повторного использования облученных пленок.

Дозиметрия – измерение рассеяния и поглощения энергии ионизирующего излучения в определенном материале. Доза излучения строго зависит от энергии и вида падающего излучения, а также от природы поглощающего материала.

Основной задачей дозиметрии является обнаружение и оценка степени опасности ионизирующих излучений для населения в различных условиях радиационной обстановки. С помощью дозиметрических приборов осуществляются:

• обнаружение и измерение мощности экспозиционной и поглощенной дозы излучения для обеспечения жизнедеятельности населения;

• измерения активности радиоактивных веществ, плотности потока излучений; удельной, объемной, поверхностной активности различных объектов для определения необходимости и полноты проведения дезактивации и санитарной обработки;

• измерения экспозиционной и поглощенной доз облучения в целях определения работоспособности и жизнеспособности населения в радиационном отношении;

• лабораторное измерение степени загрязнения радиоактивными веществами продуктов питания, воды и т.д.

Классификация дозиметрических приборов осуществляется по их назначению, типу датчиков, измерению вида излучения, характеру электрических сигналов, преобразуемых схемой прибора. Почти все современные дозиметрические приборы работают на основе ионизационного метода. Основными узлами приборов являются детекторы излучений, служащие для обнаружения излучений; электрическая схема преобразования импульсов; измерительные или регистрирующие устройства; источники тока.

По функциональному назначению приборы подразделяются на индикаторы, радиометры, рентгенометры, дозиметры. Датчиками являются газоразрядный и сцинтилляционный счетчики. Измеряют альфа- и бета-излучения и небольшие уровни гамма излучений

Дозиметры. Предназначены для определения суммарной дозы облучения (экспозиционной или поглощенной), или же соответствующих мощностей доз гамма- или рентгеновских излучений. В качестве детектора (датчика) используются ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, сцинтилляционные счетчики и др. Индикаторы. Это простейшие приборы для обнаружения излучения и ориентировочной оценки мощности экспозиционной дозы (уровня радиации) главным образом гамма- и бета-излучений. Детектором служит газоразрядный счетчик. Рентгенметры. Они предназначены для измерения мощности дозы рентгеновского или гамма- излучения. Диапазон измерения – от сотых долей рентгена до нескольких сот рентген в час (Р/ч). В качестве датчиков используют ионизационные камеры или газоразрядные счетчики.

Радиометры (измерители радиоактивности). Применяются для обнаружения и определения степени радиоактивного загрязнения поверхностей, оборудования альфа- и бета – частицами; плотности потоков или интенсивности радиоактивных излучений; активности проб внешней среды.

Существующие в настоящее время дозиметрические приборы не позволяют определять альфа-излучение, так как их низкая проникающая способность препятствуют контакту лучей с воспринимающей частью прибора (газоразрядный счетчик, ионизационная камера и др.), и поэтому альфа-излучения различных объектов (продукты питания, различных тканей и т.п.) регистрируют на стационарных установках. Тем не менее это не ограничивает совершенствование дозиметрических приборов без указанных недостатков.