Что такое амбиентный эквивалент дозы

Прочитав и изучив этот раздел Вы должны:

Знать, что с принятием НРБ-99 в практику вводятся новые дозиметрические величины.

Знать, что система дозиметрических величин, включает три больших раздела: базовые физические величины, нормируемые величины и операционные величины.

Знать, что базовые физические величины остаются неизменным в течение продолжительного времени.

Знать, что Нормы и Правила предписывают определять облучение персонала в единицах нормируемых величин, являющихся мерой ущерба от излучения (эффективная доза, эквивалентная доза облучения органа или ткани, ожидаемая эффективная доза), которые не поддаются непосредственному измерению.

Знать, что, для оценки нормируемых величин установлены операционные величины, однозначно определяемые через физические характеристики поля излучения в точке или или через физико-химические характеристики поля аэрозоля в точке.

Введение в действие НРБ-99, ОСПОРБ-99, СП АС-99, ПРБ АС-99 вызвало существенное изменение системы обеспечения радиационной безопасности АС.

С выходом этих нормативных документов фактически преодолен двадцатилетний разрыв в принципах и методологии обеспечения радиационной безопасности между отечественной практикой и требованиями МАГАТЭ в этой области.

Однако этого еще недостаточно для введения в отечественную практику обеспечения РБ всех требований МАГАТЭ.

Требования Норм и Правил необходимо детализировать в методиках контроля состояния радиационной безопасности применительно к источникам ионизирующего излучения АС.

В настоящее время часть таких методических документов уже выпущена, другая часть еще находится в процессе разработки.

В данном разделе приведена современная система дозиметрических величин, которая вводится в практику радиационного контроля Методическими указаниями МУ 2.6.1.016-2000 «Определение индивидуальных эффективных и эквивалентных доз и организация контроля профессионального облучения в контролируемых условиях обращения с источниками излучения. Общие требования».

Следует заметить, что внедрение новых методик происходит при соблюдении преемственности принятых ранее в отечественной практике общих требований к дозиметрическому контролю.

Введение современной системы дозиметрических величин является одним из этапов создания системы контроля обеспечения радиационной безопасности персонала, отвечающей требованиям международного сообщества этой области.

При помощи базовых физических величин описывают меру физического воздействия ионизирующего излучения на вещество, характеризуют источник излучения, само излучение и радиационные поля, возникающие при прохождении излучения через вещество. Для описания облучения человека напрямую не используются.

Нормируемые величины используются для описания мера ущерба (вреда) от воздействия излучения на человека. Измерить при контроле облучения человека практически невозможно.

Рассмотрим основные дозиметрические величины и соотношения между ними.

Таблица 1. Базовые физические величины

Ожидаемое число ядер радионуклида, претерпевших спонтанные ядерные превращения в единицу времени, пропорционально полному числу ядер N этого радионуклида

1 Ки = 3,7 Ч 10 10 Бк.

Флюенс (Ф) (частиц или квантов)

Отношение числа частиц dN, проникающих в элементарную сферу, к площади центрального сечения dS этой сферы.

Характеристика потока излучения при его переносе в среде от источника к облучаемому объекту

Плотность потока частиц ( j )

Флюенс за единицу времени.

Экспозиционная доза (X)

Определяется как концентрация ионов одного знака в воздухе и равна отношению суммарного заряда всех ионов одного знака, созданных в воздухе излучением при полном торможении вторичных электронов и позитронов, образующихся в элементарном объеме, к массе воздуха в этом объеме

Кулон на килограмм

Мера ионизационного действия фотонного излучения, определяемая по ионизации воздуха в условиях электронного равновесия.

Поглощенная доза (D)

Поглощенная доза отражает концентрацию энергии излучения, переданной веществу.

Была введена как основная дозиметрическая величина, которая является мерой энергии, переданной ионизирующим излучением веществу.

— отношение суммы начальных кинетических энергий d e _K всех заряженных частиц, образовавшихся под действием косвенно ионизирующего излучения в элементарном объеме вещества, к массе dm вещества в этом объеме:

Керма определяется кинетической энергией вторичных заряженных частиц (вторичные электроны, позитроны, протоны, ядра отдачи и т.д)., в том числе и той ее частью, которая расходуется затем на тормозное излучение.

Едничная поглощенная доза (1 Грэй) равна керме, при которой сумма начальных кинетических энергий всех заряженных ионизирующих частиц, образовавшихся под действием косвенно ионизирующего излучения в веществе массой 1 кг, равна 1 Дж.

Энергия излучения R

Линейная передача энергии (ЛПЭ)

Полная передача энергии в воде:

Характеристика ионизирующего излучения, показывающая, как излучение передает свою энергию веществу Учет этой характеристики излучения позволяет единым образом описать биологическое действие различных излучений, например, состоящих из фотонов и альфа-частиц.

Таблица 2. Нормируемые величины

Эквивалентная доза облучения органа или ткани (H_Т)

Отсутствует, т.к. эта величина впервые была введена МКРЗ в 1990г.Мера неблагоприятных последствий при облучении живого организма, отдельной ткани или органа

Ожидаемая эквивалентная доза внутреннего облучения органа или ткани, H_Т ( t ),

То жеМера неблагоприятных последствий при облучении отдельной ткани или отдельного органа человека источником внутреннего облучения.

Эффективная доза (Е)

W_Т, взвешивающий коэффициент для органа или ткани Т.

В случае внутреннего облучения эффективная доза определяется аналогично эффективной дозе внешнего излучения (Е_внеш = S W_Т Ч H_Т) и носит название ожидаемая эффективная доза:

То жеМера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности

Коллективная эффективная доза (S)

S для коллектива из N человек равна сумме индивидуальных эффективных доз E₁. E_N.

Система операционных величин внешнего облучения, созданная в результате совместной работы МКРЕ и МКРЗ, существует около сорока лет. По мере того, как менялись нормируемые величины, операционные величины развивались от максимального эквивалента дозы (МЭД) через индексы эквивалента дозы к рекомендуемым в настоящее время величинам амбиентного и индивидуального эквивалента дозы.

Нормируемые величины, в которых выражены основные пределы доз, непосредственно измерить невозможно. Для оценки нормируемых величин при радиационном контроле предназначены операционные величины, которые являются непосредственно определяемыми в измерениях величинами.

Установленные операционные величины однозначно определяются через физические характеристики поля излучения в точке или через физико-химические характеристики поля аэрозоля в точке и предназначены для определения индивидуальных доз.

Примечание: Измерение (определение) операционных величин регламентируется в отдельных методиках выполнения измерений и выходит за рамки данного пособия.

В определении операционных величин внешнего облучения используется эквивалент дозы Н, который равен поглощенной дозе в точке, умноженной на средний коэффициент качества для излучения, воздействующего на ткань в данной точке:

при L і 100 кэВ/мкм.

Эквивалент дозы амбиентный (амбиентная доза) H * (d).

Рис. 5.1 Схема определения амбиентного эквивалента дозы H * (d).

Рис. 5.2 Схема определения индивидуального эквивалента дозы H P (d).

Использование операционных величин в радиационном контроле нацелено на консервативную оценку значений соответствующих нормируемых величин. В общем виде связь между величинами, используемыми в радиационном контроле, выглядит следующим образом:

Коэффициент связи F и физическая схема определения операционных величин выбраны таким образом, чтобы произведенная с их помощью оценка значения нормируемой величины была бы больше истинного значения нормируемой величины в данных условиях облучения.

При введении в практику современной системы обеспечения радиационной безопасности необходимо соблюсти преемственность показателей и единиц измерения дозиметрических величин. Особое внимание необходимо обратить на интерпретацию результатов измерения тех величин, определения которых претерпели изменения. В первую очередь, это относится к эквиваленту дозы.

Происшедшее после 1990 г. изменение регламентированной МКРЗ зависимости коэффициента качества от ЛПЭ требует быть осторожным при анализе данных, полученных с помощью измерительных приборов, в которых была реализована иная зависимость коэффициента качества от ЛПЭ (предложенная Рекомендациями МКРЗ 1977 г.).

Внедрение в отечественную практику современной системы дозиметрических величин является необходимым условием успешного введения в действие НРБ-99.

Источник

РАЗДЕЛ 3
ДОЗЫ ОБЛУЧЕНИЯ

Автор-составитель:к.ф.-м.н. Л.И. Клочкова

3.1. Система дозиметрических величин

Результат воздействия ионизирующих излучений на исследуемые объекты заключается в физико-химических или биологических изменениях в этих объектах. Цель дозиметрии — измерение и теоретические расчеты дозиметрических величин для оценки радиационного эффекта. Главная цель радиационной безопасности — обеспечить условия использования источников ионизирующего излучения, при которых вред для человека от возможных радиационных эффектов был бы приемлемым.

В Нормах радиационной безопасности НРБ–99 [1] и Основных санитарных правилах ОСПОРБ–99 [2] сформулированы общие требования к организации и проведению дозиметрического контроля облучения персонала. При этом система контроля обеспечения радиационной безопасности персонала должна отвечать требованиям, которые выработаны международным сообществом [3–23].

Методология контроля радиационной безопасности опирается на современную систему дозиметрических величин [24–40], которая включает:

физические величины, являющиеся характеристиками источников, полей ионизирующего излучения и их взаимодействия с веществом;

нормируемые величины, являющиеся мерой ущерба (вреда) от воздействия излучения на человека;

операционные величины, являющиеся величинами, однозначно определяемыми через физические характеристики поля излучения в точке или через физико-химические характеристики аэрозоля в точке; эти величины максимально приближены к соответствующим нормируемым величинам в стандартных условиях облучения и предназначены для консервативной оценки нормируемых величин при дозиметрическом контроле.

3.1.1.Физические величины

Основной величиной в дозиметрии является поглощенная доза. Поглощенная доза D равна отношению средней энергии , переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm этого вещества:

. (3.1)

Средняя доза. Энергия может быть усреднена по любому определенному объему, и в этом случае средняя доза будет равна полной энергии e, переданной объему, деленной на массу этого объема m:

. (3.2)

Мощность поглощенной дозы D равна производной от поглощенной дозы по времени:

, (3.3)

где dD — приращение поглощенной дозы за интервал времени dt.

В системе СИ единицей мощности поглощенной дозы является Гр/с.

(3.4)

В системе СИ единицей экспозиционной дозы является Кл/кг (кулон на килограмм). В условиях электронного равновесия дозе 1 Кл/кг соответствует поглощенная доза 33,85 Гр в воздухе или 36,9 Гр в биологической ткани (различные коэффициенты поглощения).

Внесистемная единица экспозиционной дозы — Р * (рентген). 1 Р = 2,58 × 10 –4 Кл/кг. Поскольку 1 Р соответствует образованию 2,08 × 10 9 пар ионов в 1 см 3 воздуха, то, принимая энергию образования пары ионов в воздухе равной 34 эВ, получим, что 1 Р = 8,8 × 10 –3 Гр.

В процессе перехода на единицы СИ экспозиционная доза подлежит изъятию из употребления [41]. Причины такого решения следующие:

экспозиционная доза была введена только для фотонного излучения, поэтому она не может использоваться в полях смешанного излучения;

область использования экспозиционной дозы ограничена энергией Е g £ 3 МэВ;

нецелочисленные коэффициенты связи между внесистемными единицами и единицами СИ могут быть причиной многочисленных ошибок.

Мощность экспозиционной дозы равна производной от экспозиционной дозы по времени

(3.5)

где dX — приращение экспозиционной дозы за интервал времени dt.

В системе СИ единицей мощности экспозиционной дозы является А/кг.

3.1.1.3. Линейная передача энергии

Линейная передача энергии L (ЛПЭ) равна отношению средней энергии , переданной веществу заряженной частицей при столкновении с электронами на элементарном пути dx, к длине этого пути:

(3.6)

Единица ЛПЭ — кэВ/мкм.

Флюенс частиц Ф равен отношению числа частиц dN, проникающих в элементарную сферу, к площади центрального сечения dS этой сферы:

(3.7)

3.1.1.5. Плотность потока частиц

Плотность потока частиц j равна флюенсу за единицу времени:

(3.8)

3.1.2. Нормируемые величины

3.1.2.1. Доза в органе или ткани

Доза в органе или ткани D_T равна средней поглощенной дозе в определенном органе или ткани человеческого тела:

, (3.9)

где D — поглощенная доза в элементе массы dm; m_T — масса органа или ткани.

3.1.2.2. Эквивалентная доза в органе или ткани

Найдено, что одинаковые поглощенные дозы от различных видов излучений оказывают различное биологическое воздействие на живой организм. Для того, чтобы учесть эти различия, вводят понятие эквивалентная доза в органе или ткани.

Эквивалентная доза H_T, полученная органом или тканью Т, равна поглощенной дозе D_T,R в органе или ткани T, умноженной на соответствующий взвешивающий коэффициент W_R для данного вида излучения R. При воздействии на тело человека различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами W_R эквивалентная доза в органе или ткани определяется как сумма эквивалентных доз в органе или ткани для этих видов излучения:

. (3.10)

Взвешивающие коэффициенты W_R (табл. 3.1) не зависят от облучаемого органа или ткани. Значения W_R определены в зависимости от вида и энергии излучения и характеризуют источник излучения. Взвешивающие коэффициенты W_R предназначены для определения нормируемых величин.

Взвешивающие коэффициенты W_R для основных видов излучения

W_R Фотоны любых энергий

1Электроны и мюоны любых энергий

1Протоны с энергией более 2 МэВ
(кроме протонов отдачи)

20Нейтроны с энергией:

от 100 кэВ до 2 МэВ

В табл. 3.1 приведены значения W_R для излучения, падающего на тело, а в случае внутреннего облучения — испускаемого при ядерном превращении. Облучению с равными эквивалентными дозами в органе или ткани соответствуют равные ущербы.

В системе СИ единицей эквивалентной дозы является Зв (зиверт). 1 Зв = 1 Дж/кг.

Мощность эквивалентной дозы в органе или ткани равна производной от эквивалентной дозы по времени

, (3.11)

где dH _Т — приращение эквивалентной дозы в органе или ткани за интервал времени dt.

В системе СИ единицей мощности эквивалентной дозы является Зв/с (зиверт в секунду).

3.1.2.3. Ожидаемая эквивалентная доза при внутреннем облучении

Ожидаемая эквивалентная доза H _Т( t ) при внутреннем облучении человека равна

, (3.12)

где — мощность эквивалентной дозы в органе или ткани Т к моменту времени t; t₀ — момент поступления радиоактивного вещества в организм; t — время, прошедшее после поступления радиоактивного вещества в организм.

Значение t соответствует ожидаемой оставшейся продолжительности жизни человека. Принято, что t = 50 лет для взрослых лиц старше 20 лет. Когда время t не определено, его следует принять равным 50 годам для взрослых и 70 годам для детей.

В системе СИ единицей ожидаемой эквивалентной дозы является Зв (зиверт).

Эквивалентная доза в органе или ткани равна сумме эквивалентной дозы внешнего облучения и ожидаемой эквивалентной дозы внутреннего облучения.

Мощность эквивалентной дозы внутреннего облучения в органе (ткани) T от радионуклида V, содержащегося в органе (ткани)-источнике S, равна [31]:

, (3.13)

Суммирование производится по всем органам-источникам S; по всем радионуклидам V ¢ цепи распада материнского радионуклида V, возникающим в органах-источниках в результате превращения и перемещения материнского радионуклида; по всем видам ионизирующих излучений R, испускаемых при превращениях радионуклидов, содержащихся в органе-источнике S. Зависимость от времени функций f(t, e _R|T ¬ S)_R и m_T(t) в выражении (3.13) определяется изменением с возрастом размеров и массы органов тела человека.

Эффективная доза Е равна сумме произведений взвешивающих коэффициентов W_T для органов или тканей на эквивалентные дозы H_T, полученные этими органами или тканями:

. ( 3.14)

Эффективная доза Е является величиной, которая используется как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека или отдельных его органов и тканей с учетом их различной радиочувствительности. Облучению с равными эффективными дозами соответствуют равные ущербы. Числовые коэффициенты W_T (табл. 3.2) установлены примерно равными отношению эквивалентной дозы равномерного облучения всего тела к эквивалентной дозе облучения органа, при которых ожидается один и тот же ущерб.

Взвешивающие коэффициенты W_T для различных тканей и органов человека

W _T Половые железы (гонады)

0,20Красный костный мозг

0,12Толстый кишечник

0,12Мочевой пузырь

0,05Грудная железа

0,05Щитовидная железа

0,01Клетки костных поверхностей

Под понятием «остальное» подразумеваются надпочечники, головной мозг, экстраторакальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечная ткань, поджелудочная железа, селезенка, вилочковая железа, матка.

В системе СИ единицей эффективной дозы является Зв.

Ожидаемая эффективная доза Е ( t ) при внутреннем облучении человека равна

(3.15)

где W_T — взвешивающий коэффициент для органа или ткани T; H_T( t ) — ожидаемая эквивалентная доза в органе или ткани T.

На практике для упрощения расчета эффективной дозы вместо уравнений (3.14) и (3.15) используют следующие соотношения:

(3.16)

где Ф( e )_R — флюенс излучения R с энергией e ; e( e )_R — дозовый коэффициент излучения R, равный эффективной дозе при облучении тела человека потоком излучения R с единичным флюенсом и энергией e ;

(3.17)

где П _V,G — активность радионуклида V, поступившего в организм в виде соединения типа G; e( t )_V,G — дозовый коэффициент радионуклида V, равный ожидаемой эффективной дозе при поступлении в организм 1 Бк радионуклида V в виде соединения типа G.

Величины e( e )_R и e( t )_V,G приведены в НРБ–99 (табл. 8.5 и 8.8; приложения П-1 и П-2) [1].

В системе дозиметрических величин эффективная доза внешнего облучения (3.14) и ожидаемая эффективная доза внутреннего облучения (3.15) эквивалентны. Эффективной дозой Е называют сумму эффективной дозы внешнего облучения и ожидаемой эффективной дозы внутреннего облучения.

Мощность эффективной дозы равна производной от эффективной дозы по времени:

, (3.18)

где dE — приращение эффективной дозы за интервал времени dt.

В системе СИ единицей мощности эффективной дозы является Зв/с.

3.1.2.5. Годовая эффективная (эквивалентная) доза

Годовая эффективная (эквивалентная) доза равна сумме эффективной (эквивалентной) дозы внешнего облучения, полученной за календарный год, и ожидаемой эффективной (эквивалентной) дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением в организм радионуклидов за этот же год.

Единица годовой эффективной (эквивалентной) дозы — Зв.

3.1.2.6. Коллективная эффективная доза

Коллективная эффективная доза равна сумме индивидуальных эффективных доз. Коллективная эффективная доза является мерой коллективного риска возникновения радиационных эффектов облучения. Единица коллективной эффективной дозы — чел.-Зв. В области малых доз облучению с коллективной эффективной дозой 1 чел.-Зв соответствует ущерб, равный потере 1 чел.-года полноценной «коллективной» жизни облученного коллектива.

3.1.3. Операционные величины

Нормируемые величины непосредственно измерить невозможно. Для оценки нормируемых величин при радиационном контроле предназначены операционные величины, которые непосредственно измеряются. Введение операционных величин необходимо для унификации методов контроля. В методических указаниях [33] установлены операционные величины:

мощность амбиентного эквивалента дозы ;

индивидуальный эквивалент дозы Н_р(d);

объемная активность воздуха на рабочем месте А _V.

Эквивалент дозы Н равен поглощенной в точке дозе D, умноженной на средний коэффициент качества излучения для излучения, воздействующего на ткань в данной точке:

, (3.19)

где k(L) — коэффициент качества излучения, зависящий от полной линейной передачи энергии излучения L; D(L)dL — поглощенная в точке доза от излучения с линейной передачей энергии в интервале ( L, L + dL).

Коэффициент качества излучения определяется следующим образом:

(3.20)

Среднее значение коэффициента качества излучения в точке определяется соотношением

(3.21)

Единица эквивалента дозы в системе СИ — Зв. Внесистемная единица эквивалента дозы — бэр. 1 бэр = 10 –2 Зв.

3.1.3.2. Амбиентный эквивалент дозы

Амбиентный эквивалент дозы Н * (d) равен эквиваленту дозы Н, который был бы создан в шаровом фантоме МКРЕ (рис. 3.1) на глубине d (мм) от поверхности по диаметру, параллельному направлению излучения. Поле излучения, в котором находится фантом, идентично рассматриваемому полю по составу, флюенсу и энергетическому распределению, но оно однородно и мононаправлено.

Соответствие между нормируемыми и операционными величинами
при групповом дозиметрическом контроле

Нормируемая величина

Операционная величина:
мощность амбиентного эквивалента дозы

условное обозначениеМощность эквивалентной дозы внешнего облучения кожи

(0,07)Мощность эквивалентной дозы внешнего облучения хрусталика глаза

(3)Мощность эквивалентной дозы внешнего облучения на поверхности нижней части области живота женщины

(10)Мощность эффективной дозы внешнего облучения

(10)

Характеристика шарового фантома МКРЕ: шар диаметром 30 см; химический состав фантома эквивалентен составу мягкой ткани (массовая доля химических элементов, %: кислород — 76,2; углерод — 11,1; водород — 10,1; азот — 2,6); плотность — 1000 кг/м 3 ; эффективный атомный номер Z _эфф = 6,5.

Рис. 3.1. Схема облучения шарового фантома МКРЕ

Амбиентный эквивалент дозы используется для характеристики поля излучения в точке, совпадающей с центром шарового фантома. Единица амбиентного эквивалента дозы — Зв.

Мощность амбиентного эквивалента дозы равна производной от амбиентного эквивалента дозы dH * (d) по времени:

. (3.22)

Мощность амбиентного эквивалента дозы используется для контроля радиационной обстановки в рабочих помещениях и на рабочих местах с целью группового дозиметрического контроля персонала. Значение параметра d, определяющего требования к приборам дозиметрического контроля, зависит от того, для определения какой нормируемой величины используется ее амбиентный эквивалент. Соответствие между нормируемыми и операционными величинами представлено в табл. 3.3.

3.1.3.3. Индивидуальный эквивалент дозы

Индивидуальный эквивалент дозы H_p(d) равен эквиваленту дозы в мягкой биологической ткани, определяемому на глубине d (мм) под рассматриваемой точкой на теле (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схема облучения плоского фантома

Единица индивидуального эквивалента дозы — Зв .

Значение параметра d, определяющего требования к индивидуальному дозиметру внешнего облучения, а также положение дозиметра на теле работника определяются тем, для определения какой нормируемой величины используется ее индивидуальный эквивалент в соответствии с рекомендациями Международной комиссии по радиационной защите (МКРЗ), Международной комиссии по радиационным единицам и измерениям (МКРЕ) и Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) [4, 7, 15, 20, 22]. Соответствие между нормируемыми и операционными величинами представлено в табл. 3.4.

Соответствие между нормируемыми и операционными величинами
при индивидуальном дозиметрическом контроле

Нормируемая величина

Операционная величина: индивидуальный эквивалент дозы

положение индивидуального дозиметра

условное обозначениеЭквивалентная доза внешнего облучения кожиНа поверхности наиболее
облучаемого участка кожи

H_p (0,07)Эквивалентная доза внешнего облучения
хрусталика глазаНа лицевой части головы

H_p (3)Эквивалентная доза внешнего облучения на поверхности нижней части области живота женщиныНа соответствующем месте поверх спецодежды

H_p (10)Эффективная доза внешнего облученияНа нагрудном кармане спецодежды

3.1.3.4. Объемная активность воздуха в рабочем помещении

Операционной величиной для контроля радиационной обстановки на рабочих местах при внутреннем облучении является объемная активность A_V радионуклида в воздухе рабочего помещения. Объемная активность равна отношению активности А радионуклида в воздухе к объему V воздуха:

. (3.23)

Единица объемной активности в системе СИ — Бк/м 3 .

Использование операционных величин в радиационном контроле нацелено на оценку значений соответствующих нормируемых величин. В общем виде связь между величинами, используемыми в радиационном контроле, выглядит следующим образом:

Измерение физической величины

Определение операционной величины

Сравнение c пределом дозы

Оценка нормируемой величины

Коэффициент связи a и схема определения операционных величин выбираются таким образом, чтобы проведенная с их помощью оценка значения нормируемой величины была больше истинного значения нормируемой величины в данных условиях облучения.

Источник