Дозиметрія іонізуючих випромінювань. Одиниці радіоактивності та дози опромінення

Обов'язковою умовою дотримання правил радіаційної безпеки  є реєстрація і точний кількісний облік величин, що характеризують взаємодію іонізуючих випромінювань з речовиною, в тому числі і біологічною.

Дозиметрія - це визначення кількості та якості іонізуючих випромінювань. За допомогою дозиметрії вирішують два принципові питання:

1. Пошук джерела випромінювання, визначення його виду, кількості та енергії.
2. Визначення ступеню впливу випромінювання на об'єкт, що опромінюється.

Радіоактивність - це здатність ядер атомів хімічних елементів самочинно перетворюватися на ядра атомів інших хімічних елементів з виділенням енергії у вигляді іонізуючих випромінювань. Природно радіоактивними називаються речовини, які існують в природі, а штучно радіоактивними, які набули цю ознаку штучно.

Одиниця радіоактивності в СІ - Бк = 1 розпад в 1 секунду.

Несистемна одиниця - Ки = 3.7 х 1010 розпадів в 1 секунду (що відповідає кількості розпадів в 1г Ra).

Доза – це енергія, яку виділяє джерело випромінення або яка передається об’єкту опромінення. Частіше для визначення величини енергії випромінювання використовується кількість іонів, утворених внаслідок відриву електронів від атомів в заповненій повітрям іонізаційній камері.
Експозиційна доза - це енергія фотонного випромінення, яка витрачена на іонізацію атомів сухого повітря. За одиницю дози опромінення в СІ прийнято Кл/кг, це така енергія, яка в 1кг сухого повітря утворює заряд кожного знаку в 1 Кл, тобто 6.2 х 1018 пар іонів.

Позасистемна одиниця – Р (рентген) = 2,58 х 10-4 Кл/кг = 25,8 мкКл/кг. 1Кл/кг = 3876 Р. Доза в один рентген утворює 2.08 х 109 пар іонів (одну електростатичну одиницю).

Потужність експозиційної дози показує швидкість накопичення дози і вимірюється в Кл/кг/с=А/кг. Позасистемні одиниці - Р/рік, мкР/с та інші похідні.
Поглинута доза (Д) - енергія іонізуючого випромінення, яка поглинута  речовиною, що опромінюється (повітря, тканини організму), в перерахунку на одиницю маси.

Одиниця поглинутої дози:  1 Гр = 1 Дж/кг ( Грей – енергія в 1 Дж передана тілу масою в 1 кг). Позасистемна одиниця – рад "radiation absorbed dose" (енергія в 1 ерг поглинута в масі 1 гр).

1 Гр = 100 рад.
Потужність поглинутої дози вимірюється в Гр/с, тобто, коли 1 Дж енергії поглинається кожну секунду в 1 кг речовини.
Біологічний ефект при опроміненні організму залежить не тільки від поглинутої дози, але й від розподілу енергії в мікрооб’ємі, що пов’язано зі щільністю іонізації, і збільшується пропорційно останній. Щільність іонізації залежить від лінійної втрати енергії і визначається відношенням енергії локально переданій середовищу зарядженою часткою або квантами хвильового випромінювання до відстані їх пробігу.

Для співставлення біологічної дії різних видів випромінення існує поняття відносна біологічна ефективність (ВБЕ), тобто коефіцієнт якості (К) або радіаційний зважуючий фактор. ВБЕ гамма- і рентгенівського випромінювання прийнято за 1. У зв’язку з цим введено поняття еквівалентної дози опромінення, для оцінки радіаційної небезпеки довгострокового опромінення у невеликих дозах.

Еквівалентна доза - поглинута доза, помножена на коефіцієнт (Е - радіаційний зважуючий фактор), який відображає відносну здатність різних видів випромінення пошкоджувати тканини організму. Ця здатність прямо залежить від щільності іонізації.

Одиниця еквівалентної дози в СІ – Зв (Зіверт). Це поглинута доза, яка при опроміненні даним видом опромінення дає такий же біологічний ефект, як 1 Гр поглинутої дози гамма-випромінювання. Фізична суть цієї одиниці - 1 Дж/кг. При інших видах випромінювань 1 Зв = Дж?кг-1?Е).

Ефективна доза -  поряд з фізичним фактором враховує відмінність радіочутливості певних тканин, коли радіаційний ефект при опроміненні, наприклад, кришталика ока, шкіри, м’язів, кровотворних тканин однаковою еквівалентною дозою, буде різним, тобто 1 Зв=1 Дж х кг-1 х Е х Н, де Н - тканинний фактор.

Для вимірювання дози і радіоактивності використовуються різні прилади та методи.
Розрізняють:
а) дозиметри  для вимірів доз, потужності доз у прямому струмені і за екраном (розсіяне випромінювання);
б) радіометри — для визначення сумарної активності препаратів і питомої активності натурних об'єктів зовнішнього середовища, вимірювання рівнів радіоактивного забруднення поверхонь;
в) спектрометри - прилади для визначення енергетичного спектру випромінювання — якісного та кількісного радіонуклідного складу препаратів. Спектрометри використовуються для ідентифікації забруднення об'єктів зовнішнього середовища, кількісного визначення активності об'єктів за рахунок певних радіонуклідів тощо.

Табл. 1.5. Типи приладів для вимірювання дози та радіоактивності

Вивчення енергетичних спектрів різних джерел гамма-випромінювання може проводитись за допомогою сцинтиляційних або напівпровідникових детекторів. У сцинтиляційних детекторах при взаємодії гамма-квантів з матеріалами сцинтилятора утворюються світлові спалахи, величина яких пропорційна енергії гамма-квантів. За допомогою фотопомножувача вони перетворюються у відповідні електричні імпульси. Амплітуди вихідних імпульсів несуть інформацію про енергію падаючого гамма-випромінювання.

В радіологічній практиці використовується багато приладів, які дають можливість визначати кількісну і якісну характеристику іонізуючих випромінювань і радіоактивних речовин.

Табл. 1.6. Методи визначення радіоактивності та дози

 В основі будь-якого методу реєстрації лежить кількісна оцінка процесів, що відбуваються в опроміненій речовині.
Першим  приладом для реєстрації випромінювань була камера Вільсона, яку він заповнював повітрям або водяною парою. Якщо крізь таку камеру пропускати альфа промені радіоактивної речовини, то альфа частки будуть вибивати з зовнішніх оболонок атомів газу електрони,  перетворюючи молекули газу на іони. Якщо охолодити газ, який знаходиться у камері і зменшити тиск, то відбудеться конденсація пару і шлях альфа-часток буде виглядати як тоненькі смужки туману, які можна сфотографувати (Рис. 1.2).

Рис. 1.2. Камера Вільсона
        
У радіаційно-гігієнічній практиці і медичній радіології набули широкого застосування лічильники заряджених частинок. У залежності від принципу дії існують лічильники іонізаційні, напівпровідникові (кристалічні), сцинтиляційні, черенківські. У зв'язку із особливостями напівпровідникових, сцинтиляційних та черенківських лічильників найчастіше виділяють відповідно напівпровідниковий, сцинтиляційний та черенківський методи реєстрації іонізуючих випромінювань. Принцип роботи лічильника Черенкова — сцинтиляційний, але замість люмінофору використовується речовина, в якій під впливом випромінювання вибиваються швидкі електрони (видиме черенківське випромінювання). Зупинимося на кожному з них окремо. Іонізаційний принцип реєстрації лежить в основі роботи іонізаційних лічильників. До них відносяться пропорційні лічильники і лічильники з самостійним розрядом — лічильники Гейгера—Мюллера. Це газонаповнені торцеві або циліндричні конденсатори-лічильники, які реєструють кожну заряджену частинку, що потрапила в лічильник (Рис. 1.3).

    а)                                 б)

Рис. 1.3. Газорозрядні лічильники: а)торцевий; б)циліндричний
 
Напівпровідникові (кристалічні) лічильники — це теж іонізаційні лічильники, в яких частинка, що пролітає, породжує електрони провідності та «дірки» у напівпровіднику. Невеликих розмірів пластинки, зроблені із сірчаного кадмію (CdS), сірчаного цинку (ZnS), алмазу, хлористого срібла (AgCl), германію, кремнію та інших, включаються у спеціальну радіотехнічну схему. На пластинку спрямовується потік частинок, який слід виміряти. Частинка, яка проникає у напівпровідник, породжує в ньому велику кількість носіїв струму: електронів провідності та «дірок». Напівпровідник стримує провідність, яка миттєво вплине на зростання електричного струму.
Вимірювальний прилад проградуйований так, що він покаже не силу струму, а кількість частинок, які потрапили на пластинку. За кількістю зареєстрованих імпульсів роблять висновок про кількість частинок, що потрапили на пластинку. Простота пристрою та експлуатації, малі розміри, висока чутливість, швидке зростання імпульсу струму є перевагою кристалічних лічильників.
Лічильники газорозрядні мають зовнішній циліндр і тонку металеву натягнуту по осі циліндра та ізольований від нього проволку. На лічильник подається напруга порядку  1000 - 1400 В. Лічильник на 90% заповнений парами ізопентанового спирту(10%). Тиск — 50-100 мм.рт.ст. Заряджена частинка, що потрапила у лічильник, утворює велику кількість пар іонів. Первинні іони (електрони) у сильному електричному полі набувають такої енергії, що починають іонізувати газ у лічильнику і створювати в ньому велику кількість вторинних іонів — газовий розряд, який в електричному ланцюгу дає імпульс струму. Кількість газових розрядів пропорційна кількості частинок, що потрапили в лічильник. Існує важливий показник лічильника — розрізнювальна спроможність — це кількість імпульсів, яку здатний зареєструвати лічильник за 1 сек. Вона залежить від конструкції та робочої напруги. Звичайно лічильники працюють у режимі, який знаходиться усередині «плато» (зона Гейгера), коли кількість імпульсів залежить лише від кількості іонізуючих часток або гамма квантів, що попали на детектор і мало залежить від зміни напруги (Рис. 1.4).

Рис. 1.4. Залежність розрізнювальної спроможності лічильника Гейгера-Мюллера від напруги

 Сцинтиляційний метод реєстрації базується на реєстрації спалахів світла, які виникають у сцинтиляторі (люмінофорі) під дією іонізуючих випромінювань (Рис 1.5.). Для виготовлення люмінофорів використовують багато неорганічних і органічних сполук (CsI(Tl), NaI(Tl),  CdS, антрацен, трасстільбен, нафталін, тканиноеквівалентні пластмаси із додаванням сірчаного цинку. Існують також рідкі і газоподібні сцинтилятори, які використовуються для реєстрації альфа-, бета-часток, а також низькоенергетичного фотонного випромінювання за допомогою фотоелектронного помножувача (ФЕП). Там сцинтиляції  перетворюються на електричний струм, величина якого і швидкість лічення пропорційні рівню радіації. ФЕП являє собою вакуумний прилад, який має фотокатод, декілька дінодів, розміщених у скляній трубці під певним кутом один до другого і до аноду. Найчастіше фотокатодом служить сурм'яно-цезієва пластинка. На фотокатод К, діноди і анод А подається певна позитивна напруга, величина якої на кожній наступній парі дінодів зростає у порівнянні з напругою на попередній парі. Під впливом падаючих світлових квантів із фотокатоду вириваються електрони, які прискорюються напругою між фотокатодом і першим дінодом

Рис. 1.5. Принципова схема сцинтиляційного лічильника

помножувача. Таким чином, потік електронів від дінода зростає і на останньому електроді (аноді) з'являється у мільйони разів більше електронів, ніж їх вилетіло із фотокатоду. Ці електрони створюють у ланцюгу ФЕП імпульс струму, який потрапляє в лічильний пристрій. У сцинтиляційному лічильнику розміщують сцинтиляційний кристал безпосередньо біля вікна ФЕП. При проходженні іонізуючих частинок крізь кристал виникають сцинтиляції навіть при слабких імпульсах. Люмінофор та ФЕП поміщають у світлонепроникний кожух, і єдине джерело світла — сцинтиляції люмінофора.
    
     Іонізаційний метод грунтується на вимірювані іонізації активного об'єму детектора (іонізаційної камери) шляхом виміру електричного струму або газових розрядів, що відбуваються в детекторі під впливом іонізуючого випромінювання. Найпростіша іонізаційна камера являє собою наповнену повітрям колбу з двома електродами, яка живиться від джерела постійного струму. Струм вимірюється чутливим гальванометром. Іонізаційні камери являють собою складову частину багатьох дозиметрів та радіометрів, що використовуються для реєстрації дози, потужності дози, щільності потоку часток.
Електродами можуть бути стінки камери та стержень, закріплений на ізоляторі. Іонізаційні камери бувають плоскими, сферичними, циліндричними та торцевими. Стінки камери роблять з повітряно-еквівалентних матеріалів, тобто 1 г такого матеріалу повинен поглинати стільки ж енергії, як і 1 г повітря. При звичайних умовах газ між електродами є діелектриком і електричний струм не проводить. Якщо заряджена частина проходить між електродами, газ іонізується, створюються вільні електрони і позитивні іони. Під впливом електричного поля іони рухаються між електродами і в ланцюгу виникає іонізаційний струм. Його величина пропорційна кількості іонізуючих випромінювань, що потрапили в іонізаційну камеру. При цьому значення напруги має бути таким, що включає можливість рекомбінації іонів (струм насичення). Струм вимірюється чутливим гальванометром. Іонізаційні камери являють собою складову частину багатьох дозиметрів, що використовуються для реєстрації доз, потужності дози. (Рис. 1.6.,1.7.)

                              
Рис. 1.6. Іонізаційна камера                     Рис. 1.7. Електрична схема                       іонізаційної камери

Радіолюмінесцентний (фотолюмінесцентний і термолюмінес-центний) метод вимірювання іонізуючих випромінювань полягає у поглинанні і накопиченні енергії іонізуючого випромінювання спеціальними люмінесцентними детекторами з подальшим перетворенням її на люмінесцентну, інтенсивність якої пропорційна дозі іонізуючого випромінювання і зареєструвати яку можна при термостимуляції (нагріванні), чи фотостимуляції (опроміненні ультрафіолетовим промінням) спеціальним реєструючим приладом . Ця властивість люмінофору пов'язана із зсувом у структурних ґратках кристалу люмінофору. До термолюмінофорів відносяться: LiF, CaF2, Al2O3, Mg2B4O7 та ін.  Як фотолюмінофор використовується, наприклад, алюмофосфатне скло. Люмінофори у вигляді порошку, таблеток, гранул тощо використовуються для визначення накопиченої дози. Наприклад, для індивідуальної дозиметрії термолюмінесцентний детектор (ТЛД) вставляють у футляр і носять із собою, коли знаходяться в полі іонізуючих випромінювань.  Після певного часу накопичення дози детектор розміщують у вимірювальному пристрої, нагріваючи до певної температури (200-230С0) і на табло або шкалі зі стрілкою визначають накопичену дозу.  Детектори заздалегідь калібрують. Термолюмінесцентні детектори мають широкий енергетичний та дозовий діапазон. Такі детектори багаторазового використання і після відповідної термообробки знову придатні для вимірювання доз.
Фотохімічний метод — один з найстаріших — базується на здатності випромінювань викликати фотоліз галоїдного броміду срібла (AgBr).  При проявленні експонованої фотоплівки срібло відновлюється до металічного і обумовлює її почорніння, інтенсивність якого пропорційна поглинутій енергії випромінювання, тобто дозі. Цей метод використовується, головним чином, для реєстрації індивідуальних доз і є досить чутливим, але потребує уніфікації проявлення плівки і певної її марки. 
Хімічний метод базується на вимірюванні виходу незворотних радіаційно-хімічних реакцій, що відбуваються під впливом іонізуючих випромінювань у рідких чи твердих системах, які змінюють своє забарвлення внаслідок радіаційно-хімічних реакцій.  До таких реакцій відноситься радіохімічна реакція окислення двовалентного заліза у тривалентне.  Деякі органічні та неорганічні сполуки теж можуть змінювати свій колір.  Зміна забарвлення пропорційна поглинутій у речовині детектора енергії.  Метод використовується для реєстрації значних рівнів радіації.
  Нейтронно-активаційний метод пов'язаний з вимірюванням наведеної радіоактивності.  Застосовується для вимірювання слабких потоків нейтронів або при короткочасній дії великих потоків нейтронів, також має застосування в аварійних ситуаціях.  Особливо широке розповсюдження активаційний метод знаходить у геології, коли необхідно по гамма-випромінюванню, що є результатом наведеної активності, виявити наявність металічних включень на певній глибині буріння.
При потраплянні людини у потік нейтронів в її організмі відбувається захоплення ядрами атомів біологічної тканини повільних нейтронів.  Тканина стає радіоактивною, що можна визначити за допомогою гамма-лічильників. Під дією нейтронів активуються натрій, калій, фосфор, хлор, сірка, вуглець, кальцій та інші елементи, які містяться в організмі людини. Перші три відіграють найбільшу роль у визначенні доз від дії нейтронів, тому що інші мають короткі періоди напіврозпаду.
  Біологічні методи дозиметрії засновані на оцінці реакції, яка виникає у деяких тканинах при опроміненні їх певною дозою, наприклад, виникнення еритеми, кількість хромосомних аберацій, рівень летальності експериментальних тварин, ступінь лейкопенії та інші. Ці методи не досить чутливі і точні, тому найбільшого поширення набули фізичні і хімічні.
  Калориметричний метод базується на вимірюванні кількості тепла, що виділяється в детекторі при поглинанні енергії іонізуючого випромінювання і є пропорційним енергії.
 Розрахунковий (математичний) метод використовують у клінічній практиці (наприклад при проведенні променевої терапії і інших випадках).