Основы дозиметрии ионизирующих излучений. Основы дозиметрии. Клинические формы, тяжесть и исходы болезни при внешнем относительно равномерном облучении человека

Методы дозиметрии и радиометрии, НРБ

Дозиметрия: количественная оценка поглощенной энергии ионизирующего излучения. Развитие дозиметрии первоначально определялось необходимостью защиты человека от ионизирующих излучений. Вскоре после открытия рентгеновских лучей были замечены биологические эффекты, возникающие при облучении человека. Появилась необходимость в количественной оценке степени радиационной опасности.

Дозы излучения: Экспозиционная доза = доза излучения (Кл/кг, внесистемная Р – рентген) – количественная характеристика ионизирующей способности гамма- излучения в воздухе. Смысл: количество энергии ионизирующего излучения, падающей на объект за время облучения Поглощенная доза = доза облучения (1Гр=1Дж/кг=100 рад, внесистемная рад) – величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу (D=de/dm). 1Гр=1Дж энергии любого вида поглощается 1кг массы вещества

Регламентация дозовой нагрузки в России (НРБ-99) «Нормы радиационной безопасности/НРБ-99/2009 СанПиН » с 1 сентября 2009 года ОСНОВНЫЕ САНИТАРНЫЕ ПРАВИЛА ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ (ОСПОРБ 99/2010)

НОРМЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НРБ-99/2009 (введены с 1 сентября 2009 г.) Санитарные правила и нормативы СанПиН I. Область применения 1.1. Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009 (далее - Нормы) применяются для обеспечения безопасности человека во всех условиях воздействия на него ионизирующего излучения искусственного или природного происхождения. Требования и нормативы, установленные Нормами, являются обязательными для всех юридических и физических лиц, независимо от их подчиненности и формы собственности, в результате деятельности которых возможно облучение людей, а также для администраций субъектов Российской Федерации, местных органов власти, граждан Российской Федерации, иностранных граждан и лиц без гражданства, проживающих на территории Российской Федерации Настоящие Нормы устанавливают основные пределы доз, допустимые уровни воздействия ионизирующего излучения по ограничению облучения населения в соответствии с Федеральным законом от 9 января 1996 г. N 3-ФЗ "О радиационной безопасности населения" Нормы распространяются на следующие источники ионизирующего излучения: - техногенные источники за счет нормальной эксплуатации техногенных источников излучения; - техногенные источники в результате радиационной аварии; - природные источники; - медицинские источники.

Категории лиц: А – персонал, постоянно или временно работающий с источниками ионизирующего излучения; Б – лица (население и персонал), не работающие непосредственно с ИИ, могут подвергаться действию ИИ, например, по условиям проживания, или работы (уборщицы и др.); В – все остальное население Для всех трех групп установлены пределы доз (с. 110 Пивоваров, Михалев, 2004, таблица далее)

Нормы радиационной безопасности, принятые в России (НРБ-99) Биологическое действие одинаковых поглощенных доз разного вида излучения на организм неодинаково (ЛПЭ) Взвешивающий коэффициент: Для рентгеновского, - и - излучения К=1; Для -излучения К=20 Эквивалентная доза равна произведению поглощенной дозы на взвешивающий коэффициент Эффективная доза (Е, Зв - зиверт) – мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела и отдельных органов, равна произведению эквивалентной дозы в органах и тканях на взвешивающий коэффициент (см.табл. далее)

Расчет предельно допустимых доз (ПДД): концепция критических органов 1 – я группа – все тело, гонады, красный костный мозг; 2 - я группа – мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, ж-к тракт, легкие, хрусталик глаза, и др. 3 - я группа – кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, голени, стопы и др.

Взвешивающие коэффициенты для органов и тканей (на основе интенсивности клеточного обновления) Гонады0,20 Костный мозг (красный)0,12 Толстый кишечник (прямая, сигмовидная и нисходящая кишки) 0,12 Легкие0,12 желудок0,12 Мочевой пузырь0,05 Грудная железа0,05 Печень0,05 Пищевод0,05 Щитовидная железа0,05 Кожа0,01 Клетки костных поверхностей0,01 Остальные органы (надпочечники, головной мозг, слепая, восходящая и поперечно-ободочная кишки, тонкий кишечник, почки, мышечная ткань, поджелудочная железа, селезенка, вилочковая железа, матка) 0,05

Основные пределы доз по НРБ-09 персонал группа А персонал группа Б (1/4 от гр.А) Населе- ние Эффективная доза в среднем за любые последовательные 5 лет, мЗв/год 20 (50)5 (12,5)1 (5) Эквивалентная доза, мЗв/год В хрусталике глаза15037,515 в коже В кистях и стопах

Методы дозиметрии Физические: основаны на изменении величины какого-либо физического эффекта, обусловленного поглощением энергии ИИ в веществе (ионизация, свечение, изменение проводимости и пр) Химические: основаны на измерении изменений в химических системах под действием ИИ (валентности элемента, угла вращения плоскости поляризации света, кол-ва молекул данного типа) Биологические: основаны на регистрации биологических изменение под действием ИИ на молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом уровне (мутации, перестройки хромосом, выживаемость и пр.) Биофизические: ЭПР-дозиметрия

1. Ионизационный метод дозиметрии или Метод ионизационной камеры В камере, заполненной газом (воздухом), образуются ионы, которые при помещении в электрическое поле собираются на электродах и создают электрический ток. (измерение поглощенной дозы) Ионизационная камера - простейший газонаполненный детектор. Она представляет собой систему из двух или трёх электродов в объеме, заполненном газом (He+Ar, Ar+C2H2, Ne). Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Для регистрации нейтронов используют специальную модификацию ионизационной камеры - камеру делениякамеру деления

Камера деления Камера деления - это специальная модификация ионизационной камеры, предназначенная для регистрации нейтронов. В камерах деления используется реакция деления. Внутреннюю поверхность такой ионизационной камеры покрывают тонким слоем делящегося вещества (235 U, 238 U, 239 Pu, 232 Th). Импульсы от высокоэнергетичных осколков деления вызывают большую ионизацию в газе камеры и соответственно имеют большую амплитуду. ионизационной камеры Схема камеры деления. Размеры камер деления могут быть в несколько раз меньше, чем на рисунке Однако эффективность регистрации в однослойной камере деления даже для тепловых нейтронов невелика (доли процента) и камеры деления часто делают многослойными.

4. Сцинтилляционный метод Световой выход ряда веществ (сцинтилляторов) зависит линейно от поглощенной дозы в широком диапазоне доз Такие вещества в сочетании с фотоумножителем используются в качестве дозиметров. Достоинства: -возможность регистрации практически любых видов ионизирующих излучений; -Возможность измерения энергии частиц или квантов -Высокая эффективность регистрации излучения Недостаток: необходимо максимально приблизить состав сцинтиллятора и вещества- поглотителя см с Максимов, Оджагов Люминесцирующие вещества - сцинтилляторы: Неорганические и органические твердые (сульфид цинка, активированный серебром; антрацен) Органические пластмассовые (полистирол с добавкой n-терфенила) Жидкостные органические (раствор n- терфенила в ароматическом соединении); Газовые (ксенон)

Портативный ж/с счетчик Triathler(Hidex) с альфа / бета разделением (возможно питание от аккумулятора) Аттестованные МВИ «Радиевый институт» 3 H - СП (НРБ-99) Sr-90 (по Черенковскому излучению и ж/с-радиохимия)

10 6 Гр – по окрашиванию кристаллов и стекол" title="5.Химические методы дозиметрии Достоинства: возможность достижения высокой степени подобия дозиметра облучаемому объекту по химическому составу и по форме. Диапазон применения химических методов: Для доз > 10 6 Гр – по окрашиванию кристаллов и стекол" class="link_thumb"> 20 5.Химические методы дозиметрии Достоинства: возможность достижения высокой степени подобия дозиметра облучаемому объекту по химическому составу и по форме. Диапазон применения химических методов: Для доз > 10 6 Гр – по окрашиванию кристаллов и стекол Для доз от 10 4 до 10 5 Гр – по реакциям в жидкой фазе Для доз 10 6 Гр – по окрашиванию кристаллов и стекол"> 10 6 Гр – по окрашиванию кристаллов и стекол Для доз от 10 4 до 10 5 Гр – по реакциям в жидкой фазе Для доз 10 6 Гр – по окрашиванию кристаллов и стекол" title="5.Химические методы дозиметрии Достоинства: возможность достижения высокой степени подобия дозиметра облучаемому объекту по химическому составу и по форме. Диапазон применения химических методов: Для доз > 10 6 Гр – по окрашиванию кристаллов и стекол"> title="5.Химические методы дозиметрии Достоинства: возможность достижения высокой степени подобия дозиметра облучаемому объекту по химическому составу и по форме. Диапазон применения химических методов: Для доз > 10 6 Гр – по окрашиванию кристаллов и стекол">

5.1. Жидкостные (водные) химические детекторы основаны на реакциях, происходящих между растворенными в воде веществами и продуктами радиолиза воды Ферросульфатный детектор (Дозиметр Фрикке, Цыб, 2005, с.82) Основан на свойстве ионов двухвалентного железа Fe 2+ окисляться в кислой среде радикалами ОН* до трехвалентного Fe 3+ В стандартном детекторе при поглощении 100 эВ образуется 15,6 ионов трехвалентного железа. Количество ионов Fe 3+ определяется по плотности окраски реактива (соли роданистого калия KCNS) Интенсивность окрашивания пропорциональна поглощенной дозе. Диапазон измеряемых доз гамма-излучения рад. Детектор чувствителен к органическим примесям

Нитратный детектор Основан на свойстве ионов нитрата NO 3 - восстанавливаться атомарным водородом до нитрит- ионов NO 2 - Нитриты обнаруживаются специальными индикаторами Цериевый детектор Ионы четырехвалентного церия Се 4+ восстанавливаются атомарным водородом до трехвалентного Се 3+

5.2. Химические детекторы на основе хлорзамещенных углеводородов Повышенная чувствительность детекторов объясняется возникновением цепных реакций в веществе детектора, благодаря которым образуется большое количество конечных продуктов детектор на основе хлороформа (СНCl 3)– при облучении хлороформа образуется соляная кислота (HCl). Выход соляной кислоты повышается в присутствии кислорода. Соляная кислота может быть обнаружена при помощи любого кислотно-основного индикатора (например бромкрезола пурпурного) Детектор на основе четыреххлористого углерода (ССl 4) – малочувствительный к излучению ССl 4 при введении в него добавок, имеющих подвижные атомы водорода, позволяет значительно увеличить выход продукта – соляной кислоты.

100 В/м Широкий диапазон мощности дозы > 10 Зв/ч Широкий энергетический диапазон DMC 2000 S 50 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 X 20 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 XB 20 кэВ to 6 МэВ + Бета Em" title="Индивидуальные дозиметры SYNODYS / MGPI ЭМ устойчивость превышает требования >100 В/м Широкий диапазон мощности дозы > 10 Зв/ч Широкий энергетический диапазон DMC 2000 S 50 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 X 20 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 XB 20 кэВ to 6 МэВ + Бета Em" class="link_thumb"> 27 Индивидуальные дозиметры SYNODYS / MGPI ЭМ устойчивость превышает требования >100 В/м Широкий диапазон мощности дозы > 10 Зв/ч Широкий энергетический диапазон DMC 2000 S 50 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 X 20 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 XB 20 кэВ to 6 МэВ + Бета Emax > 150 кэВ 100 В/м Широкий диапазон мощности дозы > 10 Зв/ч Широкий энергетический диапазон DMC 2000 S 50 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 X 20 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 XB 20 кэВ to 6 МэВ + Бета Em"> 100 В/м Широкий диапазон мощности дозы > 10 Зв/ч Широкий энергетический диапазон DMC 2000 S 50 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 X 20 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 XB 20 кэВ to 6 МэВ + Бета Emax > 150 кэВ"> 100 В/м Широкий диапазон мощности дозы > 10 Зв/ч Широкий энергетический диапазон DMC 2000 S 50 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 X 20 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 XB 20 кэВ to 6 МэВ + Бета Em" title="Индивидуальные дозиметры SYNODYS / MGPI ЭМ устойчивость превышает требования >100 В/м Широкий диапазон мощности дозы > 10 Зв/ч Широкий энергетический диапазон DMC 2000 S 50 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 X 20 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 XB 20 кэВ to 6 МэВ + Бета Em"> title="Индивидуальные дозиметры SYNODYS / MGPI ЭМ устойчивость превышает требования >100 В/м Широкий диапазон мощности дозы > 10 Зв/ч Широкий энергетический диапазон DMC 2000 S 50 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 X 20 кэВ to 6 МэВ DMC 2000 XB 20 кэВ to 6 МэВ + Бета Em">

Индивидуальные гамма-нейтронные дозиметры DMC 2000 GN SYNODYS Электронный прямопоказывающий дозиметр для гамма-излучения и нейтронов в широком диапазоне энергий. Нейтронные измерения: Доза: 10 мкЗв – 10 Зв Мощность дозы: 10 мкЗв/ч – 10 Зв/ч Энергия: 0,025 эВ – 15 МэВ Гамма измерения: Доза: 1 мкЗв – 10 Зв Мощность дозы: 0,1 мкЗв/ч – 10 Зв/ч Энергия: 50 кэВ – 6 МэВ Полиэтилен / Li6 / B10 конвертер/поглотитель (лицензия PTB)

Индивидуальный дозиметр DIS, SYNODYS / RADOS Диапазон измерений: Hp(10) 1 uSv до 0.5 Sv (40Sv) Hp(0.07) 10 uSv до 0.5 Sv (40Sv) Энергетический диапазон: Hp(10) +30% от 15 keV до 9 MeV Hp(0.07) +30% от 6 keV до 9 MeV Бета частицы: Hp(0.07) +10 … -50% от 240 keV до 2.2 MeV Вес и размер: 41x44x9 мм; 20 г без держателя

Методы биологической дозиметрии (человека) = ретроспективная дозиметрия (выявления последствий дозовых нагрузок на организм при внешнем и внутреннем облучении): Цитогенетические: регистрация частоты хромосомных перестроек в клетках периферической крови или костного мозга; Молекулярно-генетические: выявление частоты клеток- носителей соматических мутаций по отдельным генным локусам в периферической крови с помощью проточной цитометрии; Гематологические: регистрация количества и соотношения форменных компонентов крови в острый радиационный период, Иммунобактериологические: измерение иммунной реактивности облученного организма и состава микрофлоры покровных тканей и кишечника; Биохимические: изменение биохимических свойств биологических жидкостей (крови и мочи) Биофизические: регистрация изменения биофизических свойств молекул (биолюминесценция, электрохемилюминесценция); ЭПР дозиметрия эмали зубов.

Методы на основе хромосомных аберраций Нестабильные аберрации: кариологический тест - официально принят МАГАТЭ в 1986 г. (предложен в 1960-е гг.) Основа метода - Зависимость количества аберраций (в основном, дицентрики и кольца) в лимфоцитах периферической крови и костного мозга от дозы излучения Дает представление о средней поглощенной организмом дозе; Лимфоциты – наиболее радиочувствительные компоненты крови При недостатке лимфоцитов в периферической крови возможно использование лимфоцитов из отделов костного мозга Диапазон доз от уровня природного фона до 1-2 Гр. Метод получил распространения после разработки методики культивирования лимфоцитов человека: Основы метода: -в 1 мл крови содержится 1-3 млн клеток малых лимфоцитов, способных к делению при культивировании. -В периферической крови лимфоциты находятся в естественно-синхронизированном состоянии (G0); -Уровень спонтанных аберраций у клинически здоровых людей не высок (1-1,5%) -Продолжительный первый митотический цикл (2 сут); -Число аберраций при облучении in vivo и in vitro совпадают!! Ограничения: метод дает адекватные результаты в течение короткого периода после острого облучения из-за естественного вымывания аберрантных лимфоцитов из кровотока (2-3 мес) – кол-во аберрантных клеток снижается в 2 раза каждые 2-3 года. ЗАТРУДНЕНА ретроспективная оценка доз у хронически облученных людей и в отдаленные сроки – из-за эффекта малых доз (слишком велик индивидуальный разброс значений)

Стабильные аберрации (транслокации) - «новый» метод для оценки доз в отдаленный период после облучения Транслокации генерируются в периферическую кровь из облученных стволовых клеток костного мозга – сохраняются в течение длительного времени; Экспериментально (1970-е гг) установлена корреляция между физическими дозами и выходом транслокаций у лиц, переживших атомную бомбардировку в 1945 гг Используется метод флуоресцентной in situ гибридизации клеток (FISH), раскрученный после 1986 года – метод основан на селективном окрашивании гомологичных пар хромосом с помощью специфичных к определенным последовательностям ДНК молекулярных зондов. Достоинства: единственный в настоящее время метод ретроспективной оценки доз в отдаленный период! Проблемы: Выбор хромосом для окрашивания; Выбор видов транслокаций; Выбор периода после облучения; Оценка спонтанного уровня транслокаций – транслокации у необлученных лиц встречаются чаще, чем дицентрики. В период с 10 до 65 лет спонтанный уровень транслокаций возрастает с 1.5 до 15 на 1000 клеток; Выбор калибровочных зависимостей; Дорогостоящий метод. The chromosome that is labeled with green and red spots (upper left) is the one where the wrong rearrangement is present.

Микроядерный тест Оценка количества микроядер в популяции клеток и их потомков. Достоинства метода: -Простота (по сравнению с хромосомным анализом) -Экспрессность -Можно применять для асинхронных популяций клеток Недостатки метода: -образование микроядер в клетках крови происходит в результате воздействия на человека не только ионизирующих излучений, но и многих других мутагенов, то есть факторов, способных вызывать наследственные изменения (мутации). К их числу относятся ультрафиолетовое излучение, многочисленные химические соединения, в том числе, некоторые лекарственные препараты, продукты бытовой химии и т.п. Поэтому количество микроядер нельзя однозначно связывать только с дозой ионизирующего излучения. Метод микроядерного теста целесообразно использовать не для оценки доз, а только для выявления групп повышенного риска при массовых обследованиях населения.

Дозиметрия на основе молекулярно- генетических методов Генные мутации возникают в облученных клетках наряду со структурными мутациями (аберрациями) Показана зависимость частоты индукции мутаций в отдельных генах с ростом дозы (мутаций/Гр) Из-за низкого выхода мутаций на единицу дозы требуется анализ большого числа клеток (), поэтому используются клетки периферической крови; Методы проточной цитометрии; В настоящее время исследуют мутации в пяти генетических локусах, контролирующих гемоглобин, главный комплекс гистосовместимости, Т-клеточный рецептор, гликофорин А, гипоксантин-гуанин-фосфорибозилтрансферазу. В целом методы находятся в стадии отработки (см. Цыб и др., 2005, с)

Мутации по локусу Т-клеточного рецептора (TCR, ТкР) Частота TCR-мутантных лимфоцитов коррелирует с дозой в первые несколько лет после облучения, т.к. мутации по TCR-локусу возникают в зрелых лимфоцитах. Время полужизни мутантных клеток – около двух лет. Возможность применения метода ограничена 2-4 годами после облучения. Теоретический порог чувствительности метода – 0,5 Гр. Экспериментальная зависимость от дозы пока не выявлена. Частота TCR-мутантных клеток коррелирует с частотой нестабильных аберраций Также возможно определение частоты мутаций по локусу гипоксантин-гуанин- фосфорилтрансферазы (ГГФРТ) и по ряду других локусов. Т-клеточный рецепторы (TCR, ТкР) поверхностные белковые комплексы Т- лимфоцитов, ответственные за распознавание процессированных антигенов, связанных с молекулами главного комплекса гистосовместимости (MHC) на поверхности антигенпрезентующих клеток.белковыеТ- лимфоцитов антигенов главного комплекса гистосовместимости антигенпрезентующих клеток TCR состоит из двух субъединиц, заякоренных в клеточной мембране и ассоциирован с многосубъединичным комплексом CD3.CD3 Взаимодействие TCR с MHC и связанным с ним антигеном ведет к активации Т-лимфоцитов и является ключевой точкой в запуске иммунного ответа.

Пожизненная дозиметрия – спустя десятки лет после облучения В отдаленный период после облучения оценивается частота селективно нейтральных генных мутаций, возникающих в долгоживущих клетках стволового типа: Проточно-цитометрический анализ частоты клеток с мутациями по локусу гликофорина А Установлена дозовая зависимость; Установлена высокая воспроизводимость параметров линейной зависимости доза-эффект поле радиационного воздействия (от 10 до 45 лет) Показана корреляция с частотой стабильных аберраций Общие проблемы методов оценки генных мутаций: Количество клеток с генными мутациями увеличивается под действием факторов разнообразной природы, а не только ИИ – нет специфического маркера радиационного воздействия. Поэтому частоту мутаций по локусу гликофорина А рассматривают как интегральный показатель генотоксического воздействия в течение всей жизни человека. Гликофори́ны это группа основны́х трансмембранных сиалогликопротеинов (полипептиды) эритроцитов. Состоят на ~60% из углеводного компонента, на 40% из белкового. эритроцитов Присутствие гликофоринов в мембране эритроцитов впервые было показано в 1791 г (Fairbanks et al). Четыре разновидности гликофоринов (гликофорины A, D, C и D) составляют 2% от всех мембранных белков эритроцита. При этом преобладает гликофорин А, присутствующий в количестве 59·10 молекул на клетку. Количество гликофоринов B, C и D составляет 0,83·10, 0,51·10 и 0,2·10 соответственно. Благодаря наличию большого количества остатков сиаловой кислоты, гликофорины ответственны примерно за 60% отрицательного заряда на поверхности эритроцитов.сиаловой кислоты Эти молекулы играют важную роль во взаимодействии эритроцитов между собой, с другими клетками крови и с эндотелием.эндотелием

Оценка численности клеточного состава периферической крови Исследование динамики количества нейтрофилов и тромбоцитов лейко-лимфоцитарный индекс - условная сумма лейкоцитов и лимфоцитов периферической крови Методы в основном работают в области больших доз

ЭПР-дозиметрия Регистрация ЭПР-центров в эмали удаленных зубов метод используется для оценки индивидуальной дозы облучения; Детектирование: спектроскопическая регистрации ЭПР-сигналов эмали зубов облученных лиц; Физическая основа метода: накопление радиационно-индуцированных радикалов (СО 2 -) в химической структуре гидроксиапатита, входящего в состав биологической ткани – эмали зубов Гидроксиапатиты (Са 10 (РО 4) 6 (ОН 2)) являются основной формой фосфата кальция костей и зубов.

История метода – В 1968 г. при ЭПР-спектроскопии бедренной кости и эмали зубов млекопитающих, облученных в дозах Гр, обнаружена строгая линейная зависимость величины ЭПР-сигнала от дозы. –В эмали зубов радиационно-индуцированные резонансные центры дают наиболее интенсивные сигналы, чем в других тканях. Эмаль образуется в детстве. –В основе сигналов – образование свободных радикалов СО 2 -3 в результате захвата свободных электронов, появляющихся в облученной эмали, комплексом СО Достоинства метода: Длительное время жизни ЭПР-центров - в зубной эмали они могут сохраняться (10 7)10 9 лет (при t=25 о С). Недостатки метода: резонансные центры образуются под действием ультрафиолета Трудоемкость набора материала (удаленных зубов); При наличии остеотропных радионуклидов (90 Sr) – образование дополнительных ЭПР-центров.

Метод определения поглощенных доз внешнего гамма-излучения по спектрам электронного парамагнитного резонанса зубной эмали (ГОСТ Р) БЕЗОПАСНОСТЬ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ КОНТРОЛЬ НАСЕЛЕНИЯ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕННЫХ ДОЗ ВНЕШНЕГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ПО СПЕКТРАМ ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА ЗУБНОЙ ЭМАЛИ Окончательная редакция Издание официальное ГОССТАНДАРТ РОССИИ Москва ГОСТ Р РАЗРАБОТАН Научно-исследовательским испытательным центром радиационной безопасности космических объектов Федерального управления медико-биологических и экстремальных проблем при Минздравмедпроме России с участием Института биофизики Минздравмедпрома России, Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений Госстандарта России, Всероссийского научно-исследовательского института минерального сырья Геолкома при Совете Министров России, Товарищества с ограниченной ответственностью "Тритон" ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 71 "Гражданская оборона, предупреждение и ликвидация чрезвычайных ситуаций" ВВЕДЕН Издательство стандартов, 1995

ДОЗИМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ (греч. dosis доза, порция + metreo измерять) - раздел радиационной физики и измерительной техники, занимающийся измерением и изучением полей ионизирующих излучений (фотонных и корпускулярных), изучением эффектов их взаимодействия с веществом, а также создаваемых в результате этого дозных полей (см.) в веществе. Д. и. и. широко используется в разработке способов формирования полей излучения и дозных полей с заданными параметрами. Средства Д. и. и. применяют при разработке и использовании источников ионизирующих излучений в народном хозяйстве, науке и медицине.

Возникновение и развитие Д. и. и. связано с открытием и практическим использованием рентгеновского и гамма-излучений, нейтронов и других ядерных частиц, с изучением их биол, действия. Стало необходимым дозировать полезные радиационные эффекты при воздействии излучения на различные материалы и биол, ткани, контролировать условия радиационной безопасности для всего населения, особенно для лиц, работающих в сфере действия радиации (см. Дозиметрический контроль). Д. и. и. внесла большой вклад в решение задач радиационной безопасности космических полетов.

Для медицины Д. и. и. является одной из смежных физ. дисциплин. Она занимается разработкой научных основ, методики и решением прикладных задач лучевой терапии, радиационной гигиены и других разделов мед. радиологии.

В 60-70-е гг. 20 в. сложилась клин, дозиметрия, к-рая является неотъемлемой частью лучевой терапии. Приобрела самостоятельное значение дозиметрия в радиационной гигиене. Появились реальные предпосылки к формированию радиобиол. дозиметрии, к-рая должна учитывать особые условия осуществления радиационных процессов в биол, объектах на клеточном и молекулярном уровнях.

Д. и. и. располагает многими расчетными и экспериментальными методами. Расчетные методы опираются на физику взаимодействия ионизирующих излучений с веществом и используют современные средства электронно-вычислительной техники, Экспериментальные методы Д. и. и. основаны на использовании для измерения дозиметрических величин различных макроскопических эффектов облучения специально подобранных веществ.

Основным в дозиметрии является ионизационный метод измерения. Он связан с главным свойством ионизирующего излучения - способностью производить ионизацию вещества. Другие методы основаны на преобразовании энергии ионизирующего излучения в видимый свет (люминесцентный метод), на изменении под действием излучения свойств полупроводников (полупроводниковый метод), на радиолизе веществ в результате хим. реакций (хим. метод), на почернении фотоэмульсии или появлении в ней изображений следов ионизирующих частиц (фотографический метод), на непосредственном измерении выделяющегося в веществе тепла (калориметрический метод). Наконец, в Д. и. и. могут использоваться радиационные эффекты, наблюдаемые на хромосомном наборе клеток (биол, метод).

Любой метод Д. и. и. является физ. измерением. В результате его применения получают численное значение той или иной физ. величины (дозиметрической характеристики). Это относится и к биол, методу, в к-ром измеряется не сам биол, эффект, а его нек-рая физ. мера, и биологическим он называется лишь потому, что непосредственным детектором излучения служит биол, объект, или потому, что измеряемая величина связана с определенным биол, признаком. Смешение физ. и биол, понятий может приводить к неверному представлению о так наз. биологической дозе, к-рой нередко пользуются в радиобиол. и других исследованиях.

На основе регистрации излучения с помощью того или иного метода дозиметрии можно получать информацию пе только о полях излучения и дозных полях, но и об источниках излучения, их изотопном составе и распределении в пространстве, в облучаемом теле. Этот аспект важен для решения многих задач радиационной гигиены (см.), радиоизотопной диагностики, экспериментальной биологии и медицины, широко использующих в своих исследованиях метод радиоактивных индикаторов. Как правило, здесь приходится иметь дело с источниками излучения относительно малой активности и соответственно с крайне низкими значениями дозы излучения. Фактически речь идет о регистрации потоков фотонов и частиц, анализе их энергетических спектров, изучении их временных характеристик. Измерение их имеет свою специфику, требует специальных методик, приборов и средств обработки информации. Этим занимается особый раздел радиационной измерительной техники - радиометрия (см.). Однако между Д. и. и. и радиометрией не существует резких различий и четкого разделения функций. Их методы и средства имеют много общего и во многих случаях дополняют друг друга.

Дозиметрия каждого вида ионизирующих излучений имеет свои методические, метрол. и другие особенности.

Наиболее полно разработана дозиметрия рентгеновского и гамма-излучений с энергией до 3 МэВ, за исключением области низких энергий (до нескольких десятков кэВ), где дозные характеристики зависят от энергетического спектра излучения, который существенно меняется в зависимости от глубины в веществе и условий облучения. Особо выделяется дозиметрия нейтронов, которые непосредственно не производят ионизации, а создают ее косвенно, через вторичные тяжелые заряженные частицы (протоны, дейтроны, альфа-частицы и др.). Вторичные тяжелые заряженные частицы, взаимодействуя с тканями, образуют треки (следы движения частиц) с высокой линейной плотностью ионизации (ЛИИ), т. е. с высокой линейной передачей энергии (ЛПЭ) излучения микроструктурам тканей (см. Линейные передачи энергии). Последнее иногда способствует более интенсивному развитию радиобиол. эффектов и в конечном счете приводит к повышенному биол, действию, эквивалентному поглощению большей энергии излучения (с малой ЛПЭ), чем та, к-рая фактически поглотилась в тканях (при высокой ЛПЭ). Поэтому говорят, что нейтроны и другие плотноионизирующие излучения обладают высокой относительной биол. эффективностью - ОБЭ (см. Относительная биологическая эффективность излучений); условно считают ОБЭ = 1 для рентгеновского излучения с энергией генерирования ок. 200 кВ.

С 60-х гг. 20 в. интенсивно развивается особый раздел Д. и. и., получивший название микродозиметрия. Микродозиметрия занимается исследованием микроскопического распределения энергии при взаимодействии излучения с веществом (фотонов и частиц с ядрами, атомами вещества, с клеточными структурами и клетками ткани). Учитывается статистический характер этого взаимодействия для более глубокого понимания радиобиол. процессов на клеточном и молекулярном уровнях и роль распределения поглощенной энергии излучения по ЛПЭ. Это особенно важно для дозиметрии смешанного излучения, для оптимального использования различных видов излучений в мед. радиологии.

Основным понятием Д. и. и. является поглощенная доза излучения - мера плотности энергии, переданной излучением веществу. Другими физ. величинами более узкого применения являются: экспозиционная доза излучения для рентгеновского и гамма-излучений с энергией фотонов до 3 МэВ; эквивалентная доза излучения - в задачах радиационной безопасности (см. Дозы ионизирующих излучений).

Эти физ. величины и единицы их измерения были выработаны в рамках Международной комиссии по радиационным единицам и измерениям (МКРЕ).

Клиническая дозиметрия ионизирующих излучений

Применение ионизирующих излучений для диагностики и лечения онкол, и других больных требует правильной количественной и качественной оценки характера распределения энергии излучения в облучаемой среде.

Основная задача клин, дозиметрии в лучевой терапии (см.) - выбор и обоснование методов и средств облучения, обеспечивающих наиболее благоприятное для данного больного распределение в теле поглощенной дозы излучения. При лечении онкол, больных эта задача сводится к созданию такого дозного поля (см.), при к-ром патол, очаг и возможные пути метастазирования получат необходимую и достаточную дозу излучения, вызывающую деструкцию опухолевой ткани, при наименьшем поглощении энергии нормальными тканями и особенно жизненно важными органами. Энергия ионизирующего излучения должна быть фракционирована во времени так, чтобы обеспечить наибольший терапевтический эффект.

В лучевой диагностике оптимизация условий облучения сводится к выбору условий и методов облучения, при которых можно получить наиболее полную диагностическую информацию при наименьшей лучевой нагрузке на организм.

Клин, дозиметрия использует расчетные и экспериментальные методы. Расчетные методы основаны на физ. законах взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Их применяют для определения дозы излучения в воздухе с целью характеристики поля излучения источников различной конфигурации и для определения поглощенной дозы в облучаемом теле.

Экспериментальные методы клин, дозиметрии имеют целью получить данные о пространственном распределении поглощенной дозы излучения в облучаемом теле. Для этого используют различные модельные системы - фантомы из тканеэквивалентных материалов (см. Фантом дозиметрический), внутри которых измеряют распределение дозы излучения.

Исходными данными для проведения лучевой терапии являются характеристики пучков излучения в воздухе. Путем систематического дозиметрического контроля (см.) устанавливают мощность экспозиционной дозы на заданных фокусных расстояниях и при определенных полях облучения. Качественный состав излучения определяется эффективной энергией фотонов или слоем половинного ослабления мощности дозы. На основании полученных данных при помощи таблиц относительных глубинных доз или графиков изодоз с учетом условий облучения для данного больного определяют экспозиционную дозу для однородной тканеэквивалентной среды, моделирующей облучаемое тело. Зная качественный состав излучения и свойства тканей, через которые проходит пучок лучей, экспозиционную дозу переводят в поглощенную и, т. о., получают данные о пространственном распределении поглощенной дозы. Учитывая неоднородность тканей человека, в распределение дозы вводят соответствующую поправку. При отсутствии в картах изодоз условий облучения, необходимых для данного больного, или с целью уточнений производят фантомные измерения на специально изготовленном фантоме, воспроизводящем по форме, размерам и составу облучаемый орган или часть тела.

При многопольном и подвижном облучении суммируют дозные поля. Для формирования дозного поля используют различные устройства - решетчатые и клиновидные фильтры, защитные блоки и др. Дозные поля составляют с учетом индивидуальных особенностей больного. При выборе оптимального для данного больного плана лучевой терапии необходимо располагать несколькими условными срезами, проходящими через центр патол, очага в горизонтальном, фронтальном и сагиттальном направлениях. Условные срезы изготавливают на прозрачной бумаге или пленке по данным рентгенол, обследования, обмера внешнего контура больного и атласа анатомических срезов. На условном срезе указывается место расположения патол, очага и жизненно важных органов. Срез накладывают на дозные карты в соответствии с различными вариантами распределения дозы и выбирают оптимальный вариант облучения.

Для суммирования дозных полей и выбора оптимальных условий облучения в практике лучевой терапии широко используют универсальные электронные, цифровые (ЭЦВМ) и аналого-цифровые (АЦВМ) вычислительные машины. Результаты расчетов выдаются на цифропечатающее устройство, фиксирующее полученное дозное распределение с учетом индивидуальных особенностей больного (контура среза и неоднородности тканей).

При решении задач клин, дозиметрии все большее внимание уделяется не только пространственной, но и временной оптимизации, т. е. подведению к очагу не только необходимой и достаточной дозы, но и оптимальному фракционированию поглощенной дозы. Разрабатывается система пространственно-временной оптимизации условий и методов облучения. Эти задачи решаются также на ЭВМ методами динамического программирования.

Дозиметры ионизирующих излучений

Дозиметры ионизирующих излучений - приборы, измеряющие дозу или мощность дозы излучения. Дозиметры различаются и по функциональному назначению, и по принципу действия.

По назначению дозиметры подразделяются на:

1) дозиметры контроля радиационно-химических процессов с диапазоном измерения 10 4 - 10 10 Р;

2) дозиметры для клин, и радио-биол. измерений с диапазоном измерения 1×10 4 P или 0,1×10 3 P/ мин;

3) приборы индивидуального дозиметрического контроля с диапазоном измерения 0,01 - 100 P;

4) приборы для контроля радиационной безопасности (с диапазоном измерения мощности дозы 0,1×10 3 мкР/сек); к ним обычно относят также и радиометры - приборы для измерения ионизирующих излучений, определяющие плотность потока ионизирующих излучений (см. Радиоизотопные диагностические приборы).

По виду регистрируемых излучений различают дозиметры рентгеновского и гамма-излучений, бета-дозиметры, дозиметры нейтронов и дозиметры для измерения смешанных излучений (напр., гамма и n; бета и гамма). К основным параметрам дозиметров относятся: класс точности, диапазон измерения, стабильность показаний во времени, изменение чувствительности по диапазону энергий.

Дозиметр состоит из двух основных функциональных узлов - блока детектирования (детектора) и электронно-измерительного устройства. Блоком детектирования называется устройство, предназначенное для преобразования энергии ионизирующего излучения в другой вид энергии, удобный для измерения. По физ. процессу, происходящему в детекторах под воздействием ионизирующего излучения, различают ионизационные, люминесцентные (обычно выделяют отдельно сцинтилляционные), химические, фотографические, калориметрические, полупроводниковые дозиметры, а также дозиметры с комбинированными детекторами (напр., полупроводник + сцинтиллятор).

Ионизационные дозиметры основаны на использовании электрического поля для собирания ионов, образованных ионизирующим излучением в веществе; их применяют наиболее широко. В простейшем виде ионизационный детектор состоит из двух параллельных пластин, между к-рыми приложено напряжение. Проводимость газа между пластинами зависит от приложенного напряжения. Типы детекторов характеризуются участком вольтамперной характеристики, на к-ром он работает.

В повседневной практике используются так наз. наперстковые ионизационные камеры, работа которых основана на принципе Брэгга - Грея - измерении ионизации газа в микрополости внутри твердого вещества, толщина стенок к-рой больше пробега вторичных электронов. При этом ионизацию газа обусловливают электроны, освобожденные в твердом веществе. Т. о., измеряя ионизацию газа в полости, можно определить мощность дозы или дозу в материале стенки. Если же материал стенки имеет такой же эффективный атомный номер, как воздух (ткань), то определяют экспозиционную дозу фотонного излучения в рентгенах (поглощенную дозу в радах). Воздухо- или тканеэквивалентность материала стенок камеры, к-рая определяет зависимость показаний от энергии излучения («ход с жесткостью» дозиметра), является одним из важных требований, особенно для клин, дозиметрии.

Примером ионизационных дозиметров рентгеновского и гамма-излучений являются дозиметры типа ДИМ-60 (рис. 1), дозиметр ДРГ 2-01 «Витим», дозиметр ДРГ 2-03 (рис. 2 и 3), дозиметр И ДМ Д-1 «Круг», комплект индивидуальных дозиметров КИД-20 и КИД-60.

Клин, дозиметр (измеритель дозы и мощности дозы) ИДМД-1 «Круг» предназначен для измерения экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений. Детектор выполнен в виде зонда, позволяющего проводить внутриполостные и фантомные измерения. Объем ионизационной камеры 0,2 см 3 .

Дозиметры КИД-20 и КИД-60 с конденсаторными ионизационными камерами в форме авторучки предназначены для индивидуального контроля и обеспечивают контроль дозы рентгеновского и гамма-излучения в диапазоне от 0,01 до 50 Р.

Ионизационные дозиметры применяются не только для дозиметрии рентгеновского и гамма-излучений. Разработаны дозиметры для измерения тормозного и электронного излучения высоких энергий, напр, электрометр - измеритель поглощенной энергии и параметров пучка гамма- и электронного излучения ДКС2-01 «Ветлуга», дозиметр ДБМ-1 (рис. 4) и др.

Другие ионизационные дозиметры (и радиометры) основаны на использовании в качестве детектора газоразрядных счетчиков, в которых возникает электрический импульс при прохождении через него заряженных частиц ионизирующего излучения. Эти приборы обладают более высокой чувствительностью к излучению, чем ионизационные камеры, поэтому они применяются при измерении малой мощности дозы. Газоразрядные счетчики нашли большое применение в стационарных и переносных приборах для контроля радиационной обстановки.

В качестве примера можно привести регистрирующий дозиметр ДРГ-3-2еМ (рис. 5).

Люминесцентные дозиметры основаны на радиофотолюминесценции или радиотермолюминесценции, заключающихся в том, что образованные в детекторе-люминофоре под действием ионизирующего излучения носители заряда локализуются в центрах захвата. Благодаря этому происходит накопление поглощенной энергии, к-рая может быть освобождена в виде люминесценции при дополнительном возбуждении. Дополнительное возбуждение может быть вызвано либо освещением люминофора-детектора определенным участком спектра (обычно ультрафиолетовым светом) - радиофотолюминесценция, либо нагревом - радиотермо люминесценция. В качестве детекторов радиофотолюминесцентных дозиметров используются алюмофосфатные стекла, активированные серебром, а в качестве термолюминесцентных детекторов - алюмофосфатные стекла, активированные марганцем, фтористый литий, фтористый кальций, метаборат лития и др. Отличительной особенностью люминесцентных дозиметров является то, что детекторы не связаны с электронным прибором, и их малогабаритность, а дополнительным достоинством - возможность длительного хранения (до нескольких месяцев) дозиметрической информации и суммирования доз при многократных облучениях, что существенно важно при определении суммарной дозы на опухоль за курс лучевой терапии. В дозиметрической практике используются термолюминесцентные дозиметры ИКС-А, ДТМ-2 (рис. 6), ТЕЛДЕ (рис. 7), ТДП-2 и фотолюминесцентный дозиметр ДФМ-1.

Большой чувствительностью обладают сцинтилляционные дозиметры, блок детектирования которых состоит из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя. Ионизирующее излучение, взаимодействуя с веществом сцинтиллятора, образует в нем электроны, которые, поглощаясь в сцинтилляторе, создают вспышки света. Фотоумножитель преобразует свет в электрический ток, пропорциональный мощности дозы.

Химические дозимeтры основаны на определении хим. изменений, происходящих в некоторых веществах под действием ионизирующего излучения. Для хим. дози-

метрии используются водные р-ры сернокислого железа (ферросульфатный метод), сернокислого церия (цериевый метод), бензола, метиленового голубого, органических соединений галоидов и др. Существенным достоинством хим. дозиметров является тканеэквивалентность ряда хим. систем, используемых в качестве детекторов.

Хим. дозиметр, использующий ферросульфатный р-р, нашел широкое применение в метрологии.

Фотографические дозиметры (ИФК) получили широкое распространение в индивидуальной дозиметрии. В качестве детектора используется рентгеновская пленка (рис. 10). Фотографический метод дозиметрии основан на свойстве ионизирующего излучения воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов аналогично видимому свету. Этот метод может применяться для регистрации дозы в полях смешанного излучения, включающего гамма- и бета-излучения. Достоинством метода является его документальность, недостатком - большая погрешность измерений, значительный «ход с жесткостью»; кроме того, даже фотопленки одной партии обладают различной чувствительностью к излучению.

Калориметрические дозиметры основаны на измерении количества тепла, выделяемого при поглощении излучения. Калориметрический метод является одним из основных абсолютных методов измерения, с помощью к-рого воспроизводится единица поглощенной дозы ионизирующего излучения. Однако этот метод слишком сложен в техническом отношении, чтобы его можно было рекомендовать для повседневных измерений.

Дозиметры с полупроводниковыми детекторами. В таких детекторах под действием ионизирующего излучения происходит изменение проводимости, так что при этом ток зависит от мощности дозы. Чувствительность полупроводниковых детекторов к ионизирующему излучению значительно выше чувствительности ионизационных камер. Это дает возможность существенно уменьшить размеры полупроводникового детектора, что очень важно для клин, дозиметрии.

Все полупроводниковые детекторы можно разделить на три основные группы: поверхностно-барьерные, диффузионные и литий-дрейфовые. Они отличаются друг от друга в основном только типом чувствительной к ионизирующему излучению части детектора. В дозиметрии используются полупроводники на основе германия, кремния, арсенида галлия, сульфида кадмия и др. Так, напр., в дозиметре «Кремний-1» используется кремниевый полупроводниковый детектор.

Дозиметры с комбинированными детекторами представляют комбинацию полупроводника и сцинтиллятора, что позволяет значительно увеличить чувствительность к ионизирующему излучению. Комбинация полупроводниковых детекторов с различными эффективными атомными номерами (такая же комбинация термолюминесцентных и др. детекторов) дает возможность по разности сигналов детекторов определить качество излучения. Этот метод позволяет широко внедрить в клин, практику нетканеэквивалентные детекторы.

Изодозограф - дозиметр, с помощью к-рого автоматически могут быть получены картины распределения дозы в облучаемом объекте. Представляет собой устройство, состоящее из детектора, измерительного устройства, записывающего устройства и механизма перемещения детектора в тканеэквивалентном фантоме. Существуют изодозографы двух типов: в одних перемещение детектора происходит по линии равных доз (изодозе); в других перемещение осуществляется по заданной программе (обычно это прямоугольный растр). В обоих случаях картина распределения дозы получается в виде семейства изодозных линий. Современный изодозограф - это комплексная дозиметрическая установка, состоящая из собственно изодозографа, промежуточного устройства и вычислительной машины. Информация, полученная со всего поля обследования, наносится на перфокарты, а затем с помощью вычислительной машины осуществляется автоматическое построение дозного поля.

См. также Дозы ионизирующих излучений .

Библиография: Иванов В. И. Курс дозиметрии, М., 1970, библиогр.; Исаев Б.М. и Брегадзе Ю. И. Нейтроны в радиобиологическом эксперименте, М., 1967, библиогр.; Клиническая дозиметрия, Рекомендации Международной комиссии по радиологическим единицам и измерениям, Сер. техн. докл. № 43, Вена, МАГАТЭ, 1965; КронгаузА. Н., Ляпидевский В. К. и Фролова А. В. Физические основы клинической дозиметрии, М., 1969, библиогр.; Моисеев А. А. и Иванов В. И. Справочник по дозиметрии и радиационной гигиене, М., 1974; Радиационная дозиметрия, под ред. Дж. Хайна и Г. Браунелла, пер. с англ., М., 1958, библиогр.; Радиационная медицина, под ред. А. И. Бур-назяна, с. 5, М., 1968, библиогр.; T ю-биана М. и др. Физические основы лучевой терапии и радиобиологии, пер. с франц., М., 1969.

М. Ш. Вейнберг; А. Н. Кронгауз (кл.), В. А Волков, Ли Дон Хва (техн.).

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

Дозиметрия - измерение рассеяния и поглощения энергии ионизирующего излучения в определенном материале. Доза излуче­ния определяется энергией и видом падающего излучения, а также природой поглощающего материала.

Дозиметрия и радиометрия направлены на решение разных задач, однако объединяют их общие методические принципы обна­ружения и регистрации ионизирующих излучений. В зависимости от характера задач приборы для измерения ионизирующих излучений делятся на три группы:

1) радиометры предназначены для измерения активности ра­диоактивных веществ, плотности потока ионизирующих излучений, удельной и объемной активности газов, жидкостей, аэрозолей, раз­личных объектов внешней среды, пищевых продуктов, а также удельной поверхностной активности;

2) дозиметры предназначены для измерения экспозиционной дозы рентгеновского и у-излучений, поглощенной дозы излучений, мощности экспозиционной дозы рентгеновского и у-излучений, мощ­ности поглощенной дозы и интенсивности ионизирующих излучений;

3) спектрометры предназначены для измерения распределе­ния излучений по энергии, заряду и массам, а также пространствен­но-временных распределений излучений.

Рассмотрим методы регистрации ионизирующих излучений:

1. Ионизационный метод основан на измерении эффекта взаимодействия излучения с веществом - ионизации газа, запол­няющего регистрационный прибор.

Ионизационные детекторы излучения представляют собой помещенный в герметичную камеру, заполненную воздухом или га­зом, заряженный электрический конденсатор (электроды) для созда­ния в камере электрического поля. Заряженные частицы (а или р), попавшие в камеру детектора, производят в ней первичную иониза­цию газовой среды; у-кванты вначале образуют быстрые электроны в стенке детектора, которые затем вызывают ионизацию газа в камере. В результате образования ионных пар газ становится проводником электрического тока. При отсутствии напряжения на электродах все ионы, появившиеся при первичной ионизации, переходят в ней­тральные молекулы, а при возрастании напряжения под действием электрического поля ионы начинают направленно двигаться, т.е. возникает ионизационный ток. Сила тока служит мерой количества излучения и может быть зарегистрирована прибором. -

При некотором значении напряжения все образованные при излучении ионы достигают электродов, и при увеличении напряже­ния ток не возрастает, т.е. возникает область тока насыщения. Сила ионизационного тока насыщения в данной области зависит от числа первичных пар ионов, созданных ядерным излучением в камере де­тектора. В этих условиях работают ионизационные камеры.

При дальнейшем увеличении напряжения сила тока вновь возрастает, так как образованные излучением ионы, особенно элек­троны, при движении к электродам приобретают ускорения, доста­точные для того, чтобы самим производить ионизацию вследствие соударений с атомами и молекулами газа. Этот процесс получил на­звание ударной или вторичной ионизации, Эту область напряжений называют областью пропорциональности, т.е. областью, где сущест­вует строгая пропорциональность между числом первично образо­ванных ионов и общей суммой ионов, участвующих в создании ионизационного тока. В данном режиме работают пропорциональные счетчики.

При дальнейшем увеличении напряжения сила ионизацион­ного тока уже не зависит от числа первичных пар ионов. Газовое усиление настолько возрастает, что при появлении любой ядерной частицы возникает самостоятельный газовый разряд. Эту область напряжений называют областью Гейгера, в данном режиме работают счетчики Гейгера-Мюллера.

2. Сцинтилляторный метод основан на регистрации фото­электронным умножителем (ФЭУ) вспышек света (сцинтилляций),
возникающих в некоторых веществах (сцинтилляторах) под действи­ем излучения. По составу сцинтилляторы делят на неорганические и
органические, а по агрегатному состоянию - на твердые, пластические, жидкие и газовые.

Из неорганических сцинтилляторов для регистрации излуче­ний широко используют йодистый натрий (цезий), активированный талием - Nal (T1), а также вольфрамат кальция CaWO.», так как они могут быть получены в виде больших монокристаллов. Для реги­страции нейтронов применяют сцинтилляторы из йодистого лития -Lil (Sn).

Органические сцинтилляторы представлены следующими со­единениями: монокристаллы антрацена СцНю, стиблена C M Hi 2 и др.; пластмассы (на основе полистирола и поливинилтолуола); жидкие фосфоры (раствор терфинила) и инертные газы - гелий, аргон, неон и др.

4. Люминесцентный метод основан на накапливании час­ти энергии поглощенного ионизирующего излучения и отдачи его в виде светового свечения после дополнительного воздействия ульт­рафиолетовым излучением (или видимым светом) или нагревом. Под действием излучения в люминофоре (щелочно-галоидных соедине­ниях типа LiF, Nal, фосфатных стекол, активированных серебром) создаются центры фотолюминесценции, содержащие атомы и ионы серебра. Последующее освещение люминофоров ультрафиолетовым светом вызывает видимую люминесценцию, интенсивность которой в диапазоне 0,1-10 Гр пропорциональна дозе, затем достигает максимума (при 350 Гр), а при дальнейшем увеличении дозы падает.

5. Фотографический метод основан на способности излу­чения при взаимодействии с галогенидами серебра (AgBr или AgCI)
фотографической эмульсии восстанавливать металлическое серебро подобно видимому свету, которое после проявления выделяется в виде почернения. При этом степень почернения фотопластинки про­порциональна дозе излучения.

4. Химический метод основан на измерении числа молекул или ионов (радиационно-химический выход), образующихся или пре­терпевших изменение при поглощении веществом излучения.

В химических дозиметрах подобраны вещества с выходом хи­мической реакции, пропорциональным поглощенной энергии ионизи­рующего излучения. В настоящее время широко используется ферросульфатный дозиметр, основанный на реакции окисления под дейст­вием излучения двухвалентного железа в трехвалентное.

Рассмотрим величины, которыми оперирует дозиметрия. Независимо от природы излучения эффект его воздействия на вещество объективно будет определяться количеством энергии, которую передаёт пучок ионизирующего излучения единице массы облучаемого тела. Эту величину называют поглощённой дозой :

Единицей дозы в СИ называется грей (Гр), . Внесистемной единицей являетсярад . 1 рад = 10 -2 Гр.

Однако изменения, которые происходят в веществе, зависят не только от величины поглощённой дозы, но и от вида ионизирующего излучения, энергии его частиц и времени облучения. Чем быстрее накоплена данная доза, тем больше её поражающее действие. Быстрота накопления дозы определяется мощностью дозы – количества энергии переданной единице массы вещества за единицу времени :

[Р D ] = Гр/с. Внесистемной единицей мощности дозы является рад/с.

Казалось бы, для определения поглощённой дозы следует измерить энергию ионизирующего излучения, падающего на тело, энергию, прошедшую сквозь тело и разделить их разность на массу тела. Однако, на практике это сделать крайне трудно: во-первых, из-за рассеяния излучения в веществе; во-вторых, из-за неоднородности тел; в-третьих, из-за сложного состава излучений и др. Особенно трудно это сделать для биологических объектов. Тем не менее, оценить поглощённую дозу можно по ионизирующему действию излучения на воздух, окружающий тело.

В этой связи, для описания поля внешнего облучения объекта (экспозиции) вводится понятие экспозиционная доза , которая представляет собой дозу, поглощённую воздухом. Использовать эту величину для оценки поглощённой дозы биологических объектов можно только при условии равномерного распределения излучения в пространстве, что выполняется только для рентгеновского и γ-излучения. Количественно экспозиционная доза и мощность экспозиционной дозы определяются в СИ по величине заряда, образующегося под воздействием рентгеновского и γ-излучения в 1 кг сухого воздуха:

И . (14)

Единицей экспозиционной дозы является Кл/кг. Старая единица экспозиционной дозы называется рентген. 1 Р – это такая доза, при которой в результате полной ионизации в 1 см 3 сухого воздуха (при t = 0 0 С и Р=760 мм.рт.ст.) образуется 2,08·10 8 пар ионов. 1 Р = 2,58·10 -4 Кл/кг. Единицей мощности экспозиционной дозы в СИ является 1 А/кг, а внесистемными единицами 1 Р/с; мР/час; мкР/час.

Биологические эффекты ионизирующих излучений в большей степени зависят от вида излучений. При одной и той же поглощённой дозе тяжёлые частицы (α, n, р) производят гораздо большие физиологические нарушения, чем β-, рентгеновское или γ-излучение. Особенно опасны для биоситем потоки нейтронов. В дозиметрии принято сравнивать биологические эффекты различных излучений с такими же эффектами, создаваемыми рентгеновским и γ-излучением.

Количественно оценка биологического воздействия разных излучений осуществляется с помощью «коэффициента качества» (КК), иначе его называют коэффициентом относительной биологической эффективности (ОБЭ). Значение КК (ОБЭ) определяют опытным путём. Для рентгеновского и γ-излучений коэффициент качества принят равным 1, тогда для β-частиц КК = 1; для медленных нейтронов – 5, быстрых нейтронов и протонов – 10, α-частиц – 20.

С учётом коэффициента качества оценка степени воздействия радиации на человека и другие биологические объекты производится величиной – эквивалентная доза :

D экв = k кк · D п. (15)

Единица D экв имеет ту же размерность, что и D п, однако, называются в СИ по-другому – зиверт. Внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рада). 1бэр=10 -2 Зв.

Однако эквивалентная доза не в полной мере отражает степень радиационной опасности, т.к. разные органы и виды биотканей человека имеют разную радиочувствительность. При облучении в первую очередь поражаются красный костный мозг, половые железы, молочные железы и лёгкие. Напротив, нервные ткани очень устойчивы к радиации.

Учёт радиационной чувствительности разных тканей производится с помощью введения коэффициентов радиационного риска (КРР). Значения КРР для органов и тканей: гонады – 0,25; мозг – 0,12; молочные железы – 0,15. Если умножить эквивалентные дозы, полученные отдельными органами и частями тела, на КРР, и сложить полученные произведения, то получим величину, называемую эффективной эквивалентной дозой .

. (16)

Облучение, которому подвергаются живые организмы, в том числе и человек, делится на внешнее и внутреннее. Источниками внешнего облучения могут быть ядерные взрывы, ядерные реакторы на АЭС, ускорители, рентгеновские аппараты, а также естественные источники: космические лучи, радиоактивные руды, солнечная радиация, излучение горных пород, некоторые изотопы, присутствующие в почве и воздухе , , . Внутреннее облучение обусловлено долгоживущими радиоактивными элементами, поступающими в организм с воздухом (родон, торон), с пищей (калий, уран, рубидий, радий) и через кожу или вводятся внутрь организма с лечебными и диагностическими целями. Считается, что внутреннее облучение более опасно, т.к. при этом непосредственному воздействию подвергаются незащищённые ткани, органы и системы тела.

В течение всего биологического развития человек подвергался воздействию радиации связанной с естественным радиационным фоном Земли. Естественный радиоактивный фон окружающей нас среды по экспозиционной дозе составляет 10 ÷ 20 мкР/час или 25 мкКл/кг в год, что соответствует эквивалентной дозе примерно в 125 мбэр. Предельно допускаемая эквивалентная доза при профессиональном облучении равна 5 бэр/год. Минимальная летальная доза для человека при равномерном облучении всего организма γ или рентгеновским излучением около 600 бэр. Величина смертельной дозы зависит от вида биоорганизмов. Некоторые микроорганизмы прекрасно себя чувствуют даже в ядерном реакторе.

Мы рассмотрели только основные специальные величины дозиметрии. Следует отметить, что наряду со специальными, дозиметрия использует и такие общефизические параметры, как скорость и энергия частиц, частота и длина волны излучения, спектр излучения и др.

ИИ не обладают запахом, вкусом или какими-либо другими свойствами, позволяющими человеку регистрировать их. Для измерения количественных и качественных характеристик ИИ используются различные методы, основанные на регистрации эффектов взаимодействия излучения с веществом.

Дозиметры - это приборы, предназначенные для измерения дозы или мощности дозы ИИ. В основе этих приборов лежат регистрация и количественная оценка ионизационного, сцинтилляционного, фотографического, химического и других эффектов, возникающих при взаимодействии ИИ с веществом.

Основные группы дозиметров:

Œ Клинические - для измерения ИИ в рабочем пучке. Используют при подготовке к лучевой терапии и в процессе облучения.

 Дозиметры контроля защиты - для измерения мощности дозы рассеянного излучения на рабочих местах (в системе радиационной безопасности). Эти дозиметры должны быть прямопоказывающими.

Ž Индивидуальные - для контроля облучения лиц, работающих в сфере действия ИИ.

Методы дозиметрии:

ü Биологические - основаны на оценке реакций, которые возникают в тканях при облучении их определенной дозой ИИ (эритемная доза, эпиляционная доза, летальная доза). Являются ориентировочными и применяются в основном в экспериментальной радиобиологии.

ü Химические - заключаются в регистрации необратимых химических реакций, происходящих в некоторых веществах под влиянием облучений (радиохимический метод, фотографический метод).

Радиохимический метод - основан на реакции окисления двухвалентного железа в трехвалентное под действием ИИ
(Fe 2+ Fe 3+), что приводит к изменению окраски (прозрачности). Используются ферросульфатные дозиметры. Так как диапазон этих дозиметров очень велик (от 20 до 400 Гр), они используются только для аварийных ситуаций.

Фотографический метод - под действием ИИ происходит почернение рентгеновской пленки, степень которого пропорциональна поглощенной энергии лучей. По плотности почернения можно судить о дозе облучения. Недостатком этого метода является зависимость показаний дозиметра от качественного состава излучения. Точность определения дозы невысока. С помощью фотопленочных дозиметров удобно определять соответствие светового и радиационного поля на аппаратах для лучевой терапии.

ü Физические - основаны на способности ИИ вызывать ионизацию вещества и превращать электрически нейтральный газ в электропроводящую среду (ионизационная камера, газоразрядный счетчик, сцинтилляционный дозиметр, термолюминесцентный дозиметр, полупроводниковые детекторы).

Сцинтилляционные дозиметры . Используются кристаллы йодистого натрия, активированные таллием. При попадании на них ИИ возникают световые вспышки, которые преобразуются в электрические импульсы, усиливаются и регистрируются счетными устройствами. Сцинтилляционные дозиметры не применяются в клинической дозиметрии из-за своего большого объема и высокой чувствительности, что позволяет рекомендовать их использование в дозиметрии защиты.

Термолюминесцентные дозиметры (ТЛД) . Некоторые твердые кристаллические вещества под действием ИИ способны люминесцировать. По интенсивности свечения определяется доза. ТЛД невелики в объеме, являются непрямопоказывающими (доза накапливается в течение какого-то времени). Широко используются в клинической дозиметрии (измерение дозы на больном, в полости тела) и в качестве индивидуальных дозиметров.

Ионизационная камера - это конденсатор. Состоит из двух электродов, пространство между которыми заполнено воздухом. Под действием ИИ воздух ионизируется, возникает электрический ток. По величине силы тока судим о дозе. Дозиметры, основанные на ионизационном методе, в настоящее время наиболее распространены. Широко применяются в клинической дозиметрии, в дозиметрии защиты и индивидуальной дозиметрии.

Газоразрядный счетчик. Также используется ионизационный эффект излучения. Но к электродам газоразрядного счетчика подводят значительно большее напряжение. Поэтому электроны, образующиеся в счетчике при облучении, приобретают большую энергию и сами вызывают массовую ионизацию атомов и молекул газа. Это позволяет регистрировать с помощью газоразрядных счетчиков очень малые дозы ИИ.

Полупроводниковые (кристаллические) дозиметры. Меняют проводимость в зависимости от мощности дозы. Широко используются наряду с ионизационными дозиметрами.