Дозиметрия: эквивалент поглощения, единицы измерения и характеристика доз

     Реферат

     «Дозиметрия: эквивалент поглощения, единицы измерения и характеристика доз» 
 
 
 
 
 

     Выполнил  студент  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Москва 2009

      Содержание 

Понятие дозиметрии

Дозы и их характеристики, эквивалент поглощения

Единицы измерений  физических величин

Литература

      Понятие дозиметрии 

     Дозиметрия, область прикладной физики, в которой изучаются физические величины, характеризующие действие ионизирующих излучении на объекты живой и неживой природы, в частности дозы излучения, а также методы и приборы для измерения этих величин.

     Развитие  Д. первоначально определялось необходимостью защиты человека от ионизирующих излучений. Вскоре после открытия рентгеновских  лучей были замечены биологические  эффекты, возникающие при облучении  человека и животных. Появилась необходимость в количественной оценке степени радиационной опасности. В качестве основного количественного критерия была принята экспозиционная доза, измеряемая в рентгенах и определяемая по величине ионизации воздуха. Большое значение в развитии рентгенометрии имели работы советских учёных (П. Н. Лукирского, В. М. Дукельского, Д. Н. Наследова, К. К. Аглинцева, И. В. Поройкова).

     С открытием радия было обнаружено, что b- и g-излучения радиоактивных веществ вызывают биологические эффекты, похожие на те, которые вызываются рентгеновским излучением. При добыче, обработке и применении радиоактивных препаратов возникает опасность попадания радиоактивных веществ внутрь организма. Развились методы измерения активности радиоактивных источников (число распадов в сек), являющиеся основой радиометрии.

     Разработка  и строительство ядерных реакторов  и ускорителей заряженных частиц, развитие ядерной энергетики и массовое производство радиоактивных изотопов привели к большому разнообразию видов ионизирующих излучений и  к созданию многообразных дозиметрических приборов (дозиметров).

       Исследования биологического действия ионизирующих излучений на клеточном и молекулярном уровнях вызвали развитие микродозиметрии, исследующей передачу энергии излучения микроструктурам вещества. 

     Дозы  и их характеристики, эквивалент поглощения 

     Доза (от греч. dosis - доля, порция) ионизирующего излучения, величина, используемая для оценки воздействия излучения на любые вещества и живые организмы. В зависимости от особенностей излучения и характера его воздействия рассматривают поглощенную, эквивалентную и экспозиционную дозы.

     Поглощенная доза D_погл - отношение энергии излучения, поглощенной веществом, к массе вещества. Доза ионизирующего излучения, энергия ионизирующего излучения, поглощённая в единице массы облучаемого вещества. В этом смысле доза излучения называется также поглощённой дозой (D_п). Поглощённая энергия расходуется на нагрев вещества, а также на его химические и физические превращения. Величина дозы зависит от вида излучения (рентгеновское излучение, поток нейтронов и т.п.), энергии его частиц, плотности их потока и состава облучаемого вещества. При прочих равных условиях доза тем больше, чем больше время облучения. Таким образом, доза накапливается со временем. Доза, отнесённая к единице времени, называется мощностью дозы.

     Зависимость величины дозы от энергии частиц, плотности  их потока и состава облучаемого  вещества различна для разных видов  излучения. Например, для рентгеновского и g-излучений доза зависит от атомного номера Z элементов, входящих в состав вещества; характер этой зависимости определяется энергией фотонов hv (h — Планка постоянная , v — частота электромагнитных колебаний). Для этих видов излучений доза в тяжёлых веществах больше, чем в лёгких (при одинаковых условиях облучения. Нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов. Характер этого взаимодействия существенно зависит от энергии нейтронов. Если происходят упругие соударения нейтронов с ядрами, то средняя величина энергии, переданной ядру в одном акте взаимодействия, оказывается большей для лёгких ядер. В этом случае (при одинаковых условиях облучения) поглощённая доза в лёгком веществе будет выше, чем в тяжёлом. Другие виды ионизирующих излучений имеют свои особенности взаимодействия с веществом, которые определяют зависимость доза от энергии излучения и состава вещества. Поглощённая доза в системе единиц СИ измеряется в дж/кг. Широко распространена внесистемная единица рад: 1 рад = 10^-2дж/кг = 100 эрг/г. Мощность дозы измеряется в рад/сек, рад/ч и т.п.

     Эквивалентная доза D_экв = KD_погл, где К - так называемый коэффициент качества излучения (безразмерная величина). Единица D_экв в СИ - зиверт (Зв); внесистемная единица - бэр (1 бэр = 10^-2 Зв). Для К на практике обычно принимают следующие усредненные значения: 1 - для моноэнергетических электронов, позитронов, b-частиц, g-квантов и рентгеновского излучения; 3 - для нейтронов с энергией < 20 кэВ; 10 - для протонов с энергией < 20 кэВ и нейтронов с энергией от 0,1 до 10 МэВ; 20 - для a-частиц с энергией < 10 МэВ и тяжелых ядер отдачи. К - критерий относительной биологической эффективности излучения при хроническом облучении. 

     Экспозиционная  доза D_экс — мера ионизации воздуха под действием рентгеновского и g-излучений — измеряется количеством образованных зарядов. Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является к/кг. Экспозиционная доза в 1 к/кг означает, что суммарный заряд всех ионов одного знака, образованных в 1 кг воздуха, равен одному кулону. Широко распространена внесистемная единица экспозиционной дозы — рентген: 1 р = 2,57976×10^-4 к/кг, что соответствует образованию 2,08 ×10⁹ пар ионов в 1 см³ воздуха (при О°С и 760 мм рт. ст.). На создание такого количества ионов необходимо затратить энергию, равную 0,114 эрг/см³ или 88 эрг/г. Таким образом, 88 эрг/г есть энергетический эквивалент рентгена. По величине экспозиционной дозы можно рассчитать поглощённую дозу рентгеновского и g-излучений в любом веществе. Для этого необходимо знать состав вещества и энергию фотонов излучения.

     При облучении живых организмов возникают  биологические эффекты, величина которых определяет степень радиационной опасности. Для данного вида излучения наблюдаемые радиационные эффекты во многих случаях пропорциональны поглощённой энергии. Однако при одной и той же поглощённой дозе в тканях организма биологический эффект оказывается различным для разных видов излучения. Следовательно, знание величины поглощённой дозы оказывается недостаточным для оценки степени радиационной опасности. Принято сравнивать биологические эффекты, вызываемые любыми ионизирующими излучениями, с биологическими эффектами, вызываемыми рентгеновским и g-излучениями. Коэффициент, показывающий во сколько раз радиационная опасность для данного вида излучения выше, чем радиационная опасность для рентгеновского излучения при одинаковой поглощённой дозе в тканях организма, называется коэффициентом качества К. В радиобиологических исследованиях для сравнения радиационных эффектов пользуются понятием относительной биологической эффективности. Для рентгеновского и g-излучений К = 1. Для всех др. ионизирующих излучений коэффициент качества устанавливается на основании радиобиологических данных. Коэффициент качества может быть разным для различных энергий одного и того же вида излучения. Например, для тепловых нейтронов К = 3, для нейтронов с энергией 0,5 Мэв К = 10, а для нейтронов с энергией 5,0 Мэв К = 7. Эквивалентная доза D_э определяется как произведение поглощённой D_n на коэффициент качества излучения К; D_э = D_nК. Коэффициент К является безразмерной величиной, и эквивалентная доза может измеряться в тех же единицах, что и поглощённая. Однако существует специальная единица эквивалентной дозы — бэр. Эквивалентная доза в 1 бэр численно равна поглощённой дозе в 1 рад, умноженной на коэффициент качества К. 

     В радиобиологии различают следующие  дозы, приводящие к гибели животных в ранние и поздние сроки. Дозы, вызывающая гибель 50% животных за 30 дней (летальная доза — ЛД_30/50), составляет при однократном одностороннем рентгеновском или g-облучениях для морской свинки 300 бэр, для кролика 1000 бэр. Минимальная абсолютно летальная доза (МАЛД) при общем g-облучении равна ~ 600 бэр. С увеличением дозы продолжительность жизни животных сокращается, пока она не достигает 2,8—3,5 сут, дальнейшее увеличение дозы не меняет этого срока. Лишь доза выше 10000—20000 бэр сокращают продолжительность жизни до 1 сут, а при последующем облучении — до нескольких часов. При дозе в 15000—25000 бэр отмечаются случаи «смерти под лучом». Каждому диапазону доз соответствует определённая форма лучевого поражения. Ряд беспозвоночных животных, растений и микроорганизмов обладает значительно более низкой чувствительностью.

     Радиочувствительность разных видов организмов различна. Смерть половины облученных животных (при общем облучении) в течение 30 сут после облучения (летальная  доза — ЛД ⁵⁰/₃₀) вызывается следующими дозами рентгеновского излучения: морские свинки 250 р, собаки 335 р, обезьяны 600 р, мыши 550—650 р, караси (при 18°С) 1800 р, змеи 8000—20000 р. Более устойчивы одноклеточные организмы: дрожжи погибают при дозе 30000 р, амёбы — 100000 р, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300000 р. Радиочувствительность высших растений тоже различна: семена лилии полностью теряют всхожесть при дозе облучения 2000 р, на семена капусты не влияет доза в 64000 р.

       Большое значение имеют также возраст, физиологическое состояние, интенсивность обменных процессов организма, а также условия облучения. При этом, помимо дозы облучения организма, играют роль: мощность, ритм и характер облучения (однократное, многократное, прерывистое, хроническое, внешнее, общее или частичное, внутреннее), его физические особенности, определяющие глубину проникновения энергии в организм (рентгеновское и гамма-излучение проникает на большую глубину, альфа-частицы до 40 мкм, бета-частицы — на несколько мм), плотность вызываемой излучением ионизации (под влиянием альфа-частиц она больше, чем при действии других видов излучения). Все эти особенности воздействующего лучевого агента определяют относительную биологическую эффективность излучения. Если источником излучения служат попавшие в организм радиоактивные изотопы, то огромное значение имеет химическая характеристика, определяющая участие изотопа в обмене веществ, концентрацию в том или ином органе, а следовательно, и характер облучения организма.

       Первичное действие радиации любого вида на любой биологический объект начинается с поглощения энергии излучения, что сопровождается возбуждением молекул и их ионизацией. При ионизации молекул воды (косвенное действие излучения) в присутствии кислорода возникают активные радикалы (ОН- и др.), гидратированные электроны, а также молекулы перекиси водорода, включающиеся затем в цепь химических реакций в клетке. При ионизации органических молекул (прямое действие излучения) возникают свободные радикалы, которые, включаясь в протекающие в организме химические реакции, нарушают течение обмена веществ и, вызывая появление несвойственных организму соединений, нарушают процессы жизнедеятельности. При облучении в дозе 1000 р в клетке средней величины (10^-9 г) возникает около 1 млн. таких радикалов, каждый из которых в присутствии кислорода воздуха может дать начало цепным реакциям окисления, во много раз увеличивающим количество измененных молекул в клетке и вызывающим дальнейшее изменение надмолекулярных (субмикроскопических) структур. Выяснение большой роли свободного кислорода в цепных реакциях, ведущих к лучевому поражению, т.н. кислородного эффекта, способствовало разработке ряда эффективных радиозащитных веществ, вызывающих искусственную гипоксию в тканях организма. Большое значение имеет и миграция энергии по молекулам биополимеров, в результате которой поглощение энергии, происшедшее в любом месте макромолекулы, приводит к поражению её активного центра (например, к инактивации белка-фермента). Физические и физико-химические процессы, лежащие в основе Б.д.и.и., т. е. поглощение энергии и ионизация молекул, занимают доли секунд.

     В радиобиологии также определяется:

     Линейный  коэффициент передачи энергии μе - отношение доли энергий dЕ/Е косвенно ионизирующего излучения (исключая энергию покоя частиц), которая  преобразуется в кинетическую энергию  заряженных частиц при прохождении  элементарного пути dl в веществе, к длине этого пути: μе=(1/Е) (dЕ/dl)

     Примечание. Массовый коэффициент передачи энергии  μtr,т, выражается через линейный: μе,т = μе/ ρ , где ρ- плотность вещества.

     Линейный  коэффициент поглощения энергии  μ* en - произведение линейного коэффициента передачи энергии μе, на разность между единицей и долей g энергии вторичных заряженных частиц, переходящей в тормозное излучение в данном веществе: μen = μе (1 - g)'

     Примечание. Массовый коэффициент поглощения энергии  μen,m выражается через линейный: μen.m= μen. / ρ =μе.m (1 - g).