Биологическая доза. 
Атомная и ядерная физика: радиоактивность и ионизирующие излучения

Приведём определения некоторых понятий, связанных с радиационной дозой, полученной биологическим объектом.

Доза поглощенная (D) — величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу (точнее — энергия, фаюпически оставшаяся в единице массы вещества в результате облучения):

где de — средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме, a dm — масса вещества в этом объеме.

Энергия может быть усреднена по любому определённом)' объёму, и в этом случае средняя доза будет равна полной энергии, переданной объёму, деленной на массу этого объёма. В единицах СИ поглощенная доза измеряется в джоулях, делённых на килограмм (Дж-кг¹), и имеет специальное название — грей (Гр).

Доза в органе или ткани (Dr) — средняя поглощённая доза в определённом органе или ткани человеческого тела:

где т_т — масса органа или ткани, a D — поглощённая доза в элементе массы dm. Тканевая доза — поглощённая доза в мягкой биологической ткани с весовым составом, в %: водород —10,1; углерод —11,1; азот — 2,6; кислород — 76,2.

Поглощённая доза не полностью отвечает целям радиационной защиты, поскольку степень повреждения тканей тела человека различна для различных видов ионизирующих излучений. При оценке радиобиологических эффектов учитывают такие факторы, как влияние типа излучения на биообъекты и различный отклик различных органов живого организма на равномерное облучение одним и тем же излучением всего организма. Не менее существенным является понятие «критический орган». И, наконец, в радиобиологии приходится учитывать дозу, полученную конкретным индивидуумом, и популяцией в целом.

При одинаковых поглощённых дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что тяжёлая частица (например, протон) производит на единице пути в ткани больше ионов, чем лёгкая (например, электрон). При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением.

Важно не только количество ионов, образованных в единице массы биологической ткани, но и то, как распределены эти ионы по длине пути излучения, т. е. линейная плотность ионизации. Это распределение характеризует линейная передача энергии (ЛПЭ) излучения. Если L — отношение полной энергии сШ, переданной веществу заряженной частицей вследствие столкновений на элементарном пути d/, к длине этого пути, то:

В качестве единицы измерения ЛПЭ используется килоэлектронвольт на микрометр воды, 1 кэВ/мкм: 1 кэВ/мкм = 0,16 нДж/м.

Линейная передача энергии — энергия, переданная ионизирующей частицей веществу в заданной окрестности её траектории на единице длины траектории.

В нормативных документах по радиационной безопасности поглощенная доза, усреднённая по ткани или органу, умножается на весовой множитель излучения для учета эффективности данного вида излучения при создании биологических эффектов; полученная величина называется эквивалентной дозой. Величина «эквивалентная доза» используется в тех случаях, когда происходит облучение отдельных органов или тканей, однако вероятность стохастического эффекта поражения в результате получения определенной эквивалентной дозы различна для разных органов и тканей. Вследствие этого эквивалентная доза для каждого органа и ткани умножается на тканевый весовой множитель, что позволяет учесть радиочувствительность этого органа. Общая сумма таких взвешенных эквивалентных доз для всех облученных тканей человека называется эффективной дозой. Для измерения эквивалентной и эффективной доз используется та же единица, что и для поглощенной дозы, т. е. джоуль на килограмм, но для того чтобы было удобно отличать её от единицы поглощенной дозы [Гр], она называется «зиверт (Зв)» [i Зв = юо бэр].

Доза эквивалентная (Нгм) — поглощённая доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, Wr:

где Dt, r — средняя поглощённая доза в органе или ткани T, aWR — взвешивающий коэффициент для излучения R.

Понятие эквивалентной дозы введено для оценки радиационной опасности излучения произвольного состава при хроническом облучении человека в малых дозах (в дозах, не превышающих пяти предельно допустимых годовых доз при облучении всего тела человека). При воздействии различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения.

Табл. 4. Взвешивающие коэффициенты для разных видов излучения.

Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчете эквивалентной дозы (Wr) — используемые в радиационной защите множители в выражении поглощённой дозы, учитывающие относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов.

Одни органы и ткани человека более чувствительны к действию радиации, чем другие. Поэтому дозы облучения разных органов и тканей следует учитывать с разным коэффициентом, который называется коэффициентом радиационного риска. Умножив значение эквивалентной дозы на соответствующий коэффициент радиационного риска и просуммировав по всем тканям и органам, получим эффективную дозу, отражающую суммарный эффект для организма.

Эффективная доза (Е) — величина, используемая как мера риска возникновения отдалённых последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты.

где Hr — эквивалентная доза в органе или ткани Т, a Wr — взвешивающий коэффициент для органа или ткани Т, т. е. множитель эквивалентной дозы в органах и тканях, используемый в радиационной защите для учёта различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации — «коэффициент радиационного риска».

Замечание. Частота ожидаемого радиобиологического эффекта F прямо пропорциональна количеству излучения (поглощенной дозе, D, количеству частиц или квантов, Ф, эффективной дозе, Е), которое вызвало этот эффект, но абсолютный эффект зависит от типа излучения. Например, для одного и того же флюенса частиц, падающих на биологическую клетку, в случае протонов Ф_Р частота эффекта много больше (*ю⁴), чем в случае нейтронов. Разница в частоте эффекта резко снижается, если количество ионизирующего излучения измерять поглощенной дозой D. Частота эффекта становится равной как для протонов, так и для нейтронов, если количество излучения определять в единицах эффективной дозы Е.

Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчёте эффективной дозы (Wr) — множители эквивалентной дозы в органах и тканях, используемые в радиационной защите для учёта различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации.

Табл. 5. Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы.

Для организма в целом коэффициент Wr= 1. Для оценки полной эффективной эквивалентной дозы, полученной человеком, рассчитывают и суммируют указанные дозы для всех органов.

Коэффициент Wt определяет риск облучения данного органа по отношению к риску облучения всего организма, т. е. представляет отношение вероятности возникновения стохастических эффектов в результате облучения какого-либо органа к вероятности их возникновения при равномерном облучении всего тела. Эффективная и эквивалентная дозы — это нормируемые величины, т. е. величины, являющиеся мерой вреда от воздействия ионизирующего излучения на человека и его потомков. К сожалению, они не могут быть непосредственно измерены. Поэтому в практику введены дозиметрические величины, однозначно определяемые через физические характеристики поля излучения, максимально возможно приближённые к нормируемым. Основной операционной величиной является амбиентный эквивалент дозы.

Эффективные эквивалентные дозы являются индивидуальными критериями опасности со стороны ионизирующего излучения. Влияние облучения носит неравномерный характер. Каждый орган и ткань не только по-разному реагирует на поглощенную ими дозу облучения, но и оказывает различное влияние на работу организма в целом. Для учёта этих особенностей в дозиметрии используется понятие эффективной дозы. Эффективная (эквивалентная) доза учитывает суммарную радиоактивность поступающих в организм радионуклидов с учётом их периода полураспада и периода полувыведения из организма.

Замечание. Понятие эффективной эквивалентной дозы было введено для оценки ущерба здоровью человека за счёт различного характера влияния облучения на разные органы (в условиях равномерного облучения всего тела). Применяется, в частности, для оценки возможных стохастических эффектов — злокачественных образований.

Для определения эквивалентной дозы используется понятие риска. Риск — вероятность возникновения неблагоприятных последствий (смертные случаи, травматизм, профессиональные заболевания и т. п.). Например, риск смерти от курения г=5*Ю'4 случаев/(чел год). Это означает, что на 1 млн. курящих людей каждый год умирает от болезней, вызываемых курением, дополнительно 500 чел. Эффективная доза — величина, используемая как мера риска возникновения последствий, в том числе и отдалённых, облучения всего тела человека или отдельных его органов с учётом их радиочувствительности.

На практике понятие эквивалентной дозы применяют лишь для характеристики радиационных воздействий в малых дозах (не более пяти годовых предельно допустимых доз (ПДД) для профессионалов).

Одинаковой величине эквивалентной дозы соответствует одинаковая радиационная опасность, которой подвергается человек при воздействии на него любого вида излучения.

Фиксированная эффективная эквивалентная доза (CEDE — the Committed Effective Dose Equivalent) — оценка величины дозы радиации, полученной человеком, в результате ингаляции или употребления)1екоторого количества радиоактивного вещества. CEDE выражается в зивертах [Зв] и учитывает радиочувствительность различных органов и время, в течение которого вещество остаётся в организме (за всё время жизни). В зависимости от ситуации, CEDE может относиться к дозе облучения определённого органа, а не всего тела.

Доза эквивалентная, Нт (т), или эффективная, Е (т), ожидаемая при внутреннем облучении — доза за времяг, прошедшее п осле поступления радиоактивных веществ в организм:

где t₀ — момент поступления, a Нт(() — мощность эквивалентной дозы к моменту времени t в органе или ткани Г. Когда г не определено, то его следует принять равным 50 годам для взрослых и (70 — to) — для детей.

При одновременном воздействии на человека нескольких различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения.

Эту^г величину иногда называют интегральной эквивалентной дозой.

Доза эффективная (эквивалентная) годовая — сумма 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 дозы — зиверт [Зв].

Доза эффективная коллективная — мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения; она равна сумме индивидуальных эффективных доз. Единица эффективной коллективной дозы — человеко-зиверт [чел.-Зв].

Максимальная эквивалентная доза (МЭД) — наибольшее значение суммарной эквивалентной дозы в теле человека или каком-либо критическом органе от всех источников внешнего и внутреннего облучения: Нмакс.

Максимальная эквивалентная доза на единичный перенос (флюэнс) частиц (фотонов) — дозиметрическая характеристика внешнего излучения данного вида, энергии и направления распространения. Численно равна отношению дозы Нмакс в критическом органе или теле человека, созданной данным ионизирующим излучением с данным направлением распространения (угловым распределением) к переносу одной частицы Ф этого излучения на единицу поверхности (к единичному переносу): h_Maw = Нмакс/Ф или Имакс= 'Нмакх/ф, где 'Нмакс мощность максимальной эквивалентной дозы; (р — плотность потока частиц этого излучения.

Коллективная эффективная доза — сумма индивидуальных Hi, эффективных доз у данной группы людей: S = ?H_(J Р, где Pi, — число лиц в данной группе, получивших эффективную дозу Hi. Может быть определена как

где P (H)dHe — число лиц в данной группе, получивших эффективную дозу в диапазоне дозы от Не до Не + дНк.

Общее радиационное воздействие в результате осуществления определённой практической деятельности или использования источника излучения зависит от числа облучённых людей и от получаемых ими доз. Коллективная доза, определяемая как сумма произведений от умножения средних доз, полученных различными группами подвергшихся воздействию ионизирующих излучений людей, на число людей в каждой группе, применяется для характеристики радиационного воздействия в результате осуществления практической деятельности. При оценке поражения групп населения используется показатель человеко-зиверт [чел Зв].

Коллективная эффективная эквивалентная доза (мера коллективного риска) позволяет учесть ущерб здоровью персонала и населения от стохастических эффектов, вызванных действием ионизирующих излучений. Дозы, полученные населением, измеряются в человеко-греях и человеко-зивертах — в зависимости от того, измеряется ли накопление энергии или биологический ущерб.

Человеко-зиверт — доза для населения, определяемая как сумма индивидуальных доз определенной выборки населения.

Зиверт (Зв, Su) — единица эквивалентной и эффективной эквивалентной доз в системе СИ. Названа по имени шведского ученого Зиверта (RMJSievert) — первого председателя Международной комиссии по радиологической защите, МКРЗ. Стандартная единица измерения эквивалентной поглощенной дозы, равной ЮО ремам. 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой произведение величины поглощённой дозы в Грэях (в биологической ткани стандартного состава) на средний коэффициент качества, Wr, равно 1 Дж/кг. Иными словами, это такая поглощённая доза, при которой в 1 кг вещества выделяется энергия в 1 Дж. 1 Зв =.

i Гр-Wu = l Дж/кз-Wr =ioo pad-WR=ioo бэр. При Wr=i (для рентгеновского, гамма-, бета-излучений, электронов и позитронов) 1 Зв соответствует поглощённой дозе в 1 Гр: 1 Зв =1Дж/кг = lOO рад = юо бэр.

Бэр — внесистемная единица эквивалентной дозы излучения — количество энергии любого вида, которое при поглощении в 1 г биологической ткани произведет биологическое действие, эквивалентное действию рентгеновского или у-излучения при дозе в воздухе 1 рентген. До 1963 единица бэр определялась как биологический эквивалент рентгена (отсюда и название). 1 бэр = 0,01 Зиверт. Бэрад — поглощенная доза любого ионизирующего излучения, которая обладает той же биологической эффективностью, что и 1 рад рентгеновских лучей со средней удельной ионизацией юо пар ионов на i мкм слоя воды.

Dfop (fopad)⁼Dp (рад) •Wr.

Дозиметрическими величинами, рекомендованными для целей радиологической защиты, являются эффективная доза облучения Е и эквивалентная доза Hr на ткань или орган Т. Основными физическими величинами являются флюенс частиц Ф, керма К и поглощенная доза D. Рабочими величинами для мониторинга рабочих зон являются эквивалент амбиентной дозы H*(d) и эквивалент направленной дозы H'(d,0), а величиной для индивидуального мониторинга является эквивалент индивидуальной дозы H_p(d). Концептуальную связь между этими величинами демонстрирует рис. 1.

Мощность дозы — доза излучения (поглощенная, эквивалентная, эффективная) за единицу времени. Мощность дозы (интенсивность облучения) — приращение соответствующей дозы под воздействием данного излучешш за единицу времени. Имеет размерность соответствующей дозы (поглощенной, экспозиционной и т. п.), делённую на единицу времени.

Эквивалент амбиентпой дозы — непосредственно измеряемая величина, которая представляет эффективную дозу, используемую при мониторинге окружающей среды в условиях воздействия внешнего облучешш. Амбиентпая доза — эквивалент дозы, который создаётся в некоторой точке в поле излучения соответственно достроенным и распространенным полем в стандартном шаре на глубине d от поверхности по диаметру, параллельному направлению излучения, идентичному рассматриваемому излучению по составу, флюенсу и энергетическому распределению, но мононаправленном и однородном. Амбиентный эквивалент дозы H*(d) — это доза, которую получил бы человек, если бы он находился на месте, где проводится измерение. Единица амбиентного эквивалента дозы — зиверт [Зв]. Символ H*(d). Для сильно проникающего излучения рекомендуется величина d = io мм.