Радиационные эффекты. 
Теоретические основы защиты окружающей среды

При взаимодействии жесткого излучения и высокоэнергетических частиц с веществом происходит процесс ионизации. Энергия частиц, способных ионизировать среду, определяется кинетической энергией, а для фотонов рентгеновского и ?-излучений — соотношением hv (h — постоянная Планка;? — частота излучения). Энергия ионизирующих частиц, как правило, выражается в электрон-вольтах (эВ) (1 эВ = 1,6 · 10^-19 Дж = 1,6 · 10^-12 эрг).

Поток Ф ионизирующих частиц определяется отношением числа частиц, проходящих через данную поверхность за единицу времени, т. е. Ф = dN/dt.

Плотность потока? определяется отношением d?/dS, а поток энергии ионизирующих частиц — величиной Ф_E = dE/dt. Данная величина определяется отношением суммарной энергии dЕ всех частиц, идущих в данном направлении за рассматриваемый промежуток времени dt.

Поглощенная доза. Основополагающей дозиметрической величиной, используемой при количественных оценках воздействия радиации на человека, является поглощенная доза D_п ионизирующего излучения (доза излучения), равная отношению средней энергии dE ионизирующего излучения, поглощенной в рассматриваемом объеме, к единице массы dm вещества в данном объеме:

(5.41).

В СИ единицей поглощенной дозы является грей (Гр), равный джоулю, поглощенному в килограмме вещества. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад (р), равный 100 эрг/г; 1 рад = 10^-2 Гр.

Отношение приращения поглощенной дозы dD к интервалу времени dt, за который оно произошло, называется мощностью поглощенной дозы:

(5.42).

Значение Р принято выражать в грей в секунду — Гр/с; грей в час — Гр/ч и т. д. Если закон изменения мощности дозы со временем P (t) известен, то доза за время t может быть найдена с помощью формулы.

(5.43).

Соотношение между вероятностью возникновения радиационного эффекта и дозой принято называть зависимостью доза — эффект. Для стохастических эффектов эта зависимость в ограниченном интервале доз может быть аппроксимирована линейной зависимостью. В таком случае средняя доза может считаться показателем вероятности последующих стохастических эффектов. Для детерминированных (соматических) эффектов зависимость доза — эффект нелинейна.

Эквивалентная и эффективная дозы. Биологическое воздействие ионизирующего излучения зависит не только от поглощенной дозы излучения, но и от глубины проникновения в живой организм. Если радиационное поле представлено различными по виду и энергии излучениями с различными весовыми множителями W_R, которые относятся к дозе, взятой по определенному объему вещества, то для оценки радиационной опасности облучения человека в таком поле вводится эквивалентная доза, равная сумме произведений поглощенных доз компонент излучения на соответствующие им весовые множители:

(5.44).

где D_T,R — поглощенная доза, усредненная по Т-й ткани или органу и образованная R-м излучением.

Единицей измерения эквивалентной дозы служит зиверт (Зв), равный джоулю на килограмм. В качестве единицы эквивалентной дозы длительное время использовался биологический эквивалент рентгена (бэр): 1 бэр = 10^-2 Зв. Определение мощности эквивалентной дозы аналогично определению мощности поглощенной дозы.

Соотношение между эквивалентной дозой и вероятностью стохастических эффектов зависит и от особенностей органа или ткани, подвергнувшихся воздействию ионизирующего излучения. Поэтому целесообразно ввести еще один взвешивающий коэффициент — так называемый тканевый весовой множитель W_T (индекс T относится к соответствующей ткани или органу). Множитель W_T представляет собой относительный вклад данного органа или ткани в полный ущерб, вызванный стохастическими эффектами при тотальном, равномерном облучении всего тела.

Введем теперь понятие эффективной дозы. Она определяется как сумма взвешенных эквивалентных доз НТ во всех тканях и органах тела:

(5.45).

Использование понятия эффективной дозы позволяет учесть относительный риск облучения различных органов.

Экспозиционная доза. Экспозиционная доза характеризует меру ионизационного действия рентгеновского и ?-излучения; она определяется по ионизации воздуха при электронном равновесии, сводящемся к условию равенства между энергией излучения, поглощенной в некотором объеме вещества, и суммарной кинетической энергией вторичных частиц — электронов и позитронов, образованных в том же объеме вещества под действием первичного излучения. Для определения экспозиционной дозы измеряется общий электрический заряд ионоводного знака, возникающих в воздухе во время облучения.

Пусть при измерении в объеме V воздуха образовано N пар ионов (равное числу ионов одного знака). Тогда.

(5.46).

где W — средняя энергия, затрачиваемая на образование одной пары ионов в воздухе, равная 34 эВ: m_V— масса воздуха объемом V.

Единицей экспозиционной дозы в СИ является один кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемной единицей экспозиционной дозы служит рентген ®. 1 рентген — это такая доза, при которой в 1 см³ воздуха при температуре 0 °C и давлении 760 мм рт. ст. образуется 2,08 · 10⁹ пар ионов. 1 R = 2,56 · 10^-4 Кл/кг = 88 эрг/г, т. е. один рентген приблизительно равен одному раду. Эта внесистемная единица и ее доли — миллирентген (mR), равный 10^-3 R, микрорентген (мкR), равный 10^-6 R и др., широко используются на практике.

Коллективная доза. При рассмотрении радиационных эффектов, связанных с облучением групп (популяций) людей, вводится понятие о коллективной дозе. Сформулируем понятие коллективной дозы в интегральной форме. Допустим, что достаточно большое число людей N (P) находится в поле излучения с мощностью дозы, приходящейся на малый интерват от Р до Р + dР. Тогда коллективная мощность дозы P_S выражается формулой.

(5.47).

причем предполагается, что мощность дозы зависит от времени t.

Если зависимость мощности дозы от времени в промежутке от t₁ до t₂ известна, то коллективную дозу можно найти, проинтегрировав величину P_S(t) в пределах t₁ — t₂:

(5.48).

Парциальной дозой называют коллективную дозу, обусловленную действием конкретного источника за весь период его существования:

(5.49).

где P_S.k(t) — парциальная коллективная мощность дозы в момент t.

Если имеется несколько источников, то общая коллективная доза равна сумме парциальных доз. Накопление парциальной дозы происходит за все время действия источника, поэтому изучение ее временного поведения позволяет прогнозировать дальнейшее развитие радиационных условий, связанных с излучением этого источника.

Если коллективная доза определяется на основании информации о распределении облучаемых людей по индивидуальным дозам, полученным (или которые будут получены) от какого-либо источника, то можно представить величину D_S с учетом для всех N лиц значений доз от 0 до D_max в форме.

(5.50).

Упрощенный вариант этой формулы в дискретной форме, широко используемый на практике, имеет вид.

(5.51).

где D_i — среднее значение индивидуальной дозы для i-го дозового интервала; N (D_i) — число людей, получивших дозу, приходящуюся на i-й интервал; n — полное число интервалов, на которые приходятся все значения индивидуальных доз.

Если в качестве индивидуальной дозы используется поглощенная доза, то коллективную дозу называют коллективной поглощенной дозой; единицей измерения служит человеко-грей. Если же индивидуальной дозой является эквивалентная или эффективная доза, то говорят о коллективной эквивалентной или коллективной эффективной дозе соответственно. В таких случаях единицей измерения является человеко-зиверт.

Таким образом, понятие коллективной дозы позволяет оценить будущий ожидаемый ущерб, связанный с облучением данной популяции. Термин «ожидаемый» дает возможность связать ожидание такого ущерба с практикой, приводящей к облучению.

Интенсивность радиоактивного распада. За основной процесс при радиоактивности принят 1 распад, сопровождающийся испусканием аили ?-частиц, нейтронов и ?-излучения. При условии, если в 1 с происходит 1 распад, подобную интенсивность (активность) распада принято оценивать в 1 беккерель (Бк). Применяемые ранее единицы активности связаны соотношением: 1 Рд (резерфорд) = 10⁶ Бк; 1 Ки (кюри) = 3,7 · 10¹⁰ Бк.