Fizyka:Podstawowe wielkości dozymetrii promieniowania jonizującego

Podstawowe wielkości dozymetrii promieniowania jonizującego

Na system wielkości stosowanych w dozymetrii promieniowania jonizującego i ochronie radiologicznej składają się wielkości fizyczne, które opisują pole promieniowania; wielkości dozymetryczne, które charakteryzują ilość energii przekazanej przez promieniowanie; równoważniki dawki, które uwzględniają różnice skuteczności biologicznej różnych rodzajów promieniowania oraz wielkości charakteryzujące ryzyko dla zdrowia, które uwzględniają dane epidemiologiczne dotyczące wrażliwości na promieniowanie poszczególnych narządów ludzkich. Wszystkie wymienione wielkości stosuje się do ustanawiania dopuszczalnych limitów, które określają przepisy, do oceny i rejestracji narażenia.

Wielkości fizyczne

Do wielkości fizycznych stosowanych w dozymetrii i ochronie radiologicznej zaliczamy:

• Fluencję cząstek ([math]F_i[/math]) czyli iloraz liczby cząstek d[math]N[/math], które weszły do kuli o polu wielkiego koła d[math]a[/math] przez d[math]a[/math].
  [math]F_i = \frac{\mathrm dN}{\mathrm da}\ \mathrm{ \left[ m^{-2}\right]}[/math]
  
• Gęstość strumienia cząstek ([math]f_i[/math]) czyli iloraz przyrostu fluencji cząstek d[math]F_i[/math] w przedziale czasu d[math]t[/math] przez d[math]t[/math]:
  [math]f_i = \frac{\mathrm dF_i}{\mathrm dt}\mathrm{ \left[ \frac 1{m^{2} s}\right]}[/math]

Wielkości dozymetryczne

Do wielkości dozymetrycznych stosowanych w dozymetrii i ochronie radiologicznej zaliczamy:

• Ekspozycję (X) lub dawkę ekspozycyjną czyli iloraz wartości bezwzględnej sumy ładunków jonów jednego znaku dQ, wytworzonych przez fotony w suchym powietrzu, gdy wszystkie elektrony uwolnione w powietrzu o masie dm zostaną całkowicie w powietrzu zahamowane przez dm
  [math]X = \frac{\mathrm dQ}{\mathrm dm}\ \mathrm{\left[ \frac{C} {kg} \right]}[/math]
  Dawną jednostką dawki ekspozycyjnej był Roentgen.
  [math]\unit{1}{R} =\unit{ 2,58 \times 10^{-4}}{\frac C{kg}}[/math]
  Jednostkę Roentgen, podobnie jak inne dawniej stosowane jednostki, można nadal spotkać w niektórych, starszych, materiałach.
• Moc ekspozycji [math]\left(\dot{X}\right)[/math] czyli iloraz przyrostu dawki ekspozycyjnej dX w przedziale czasu dt przez dt
  [math]\dot{X} = \frac{\mathrm dx} {\mathrm dt }\ \mathrm{\left[ \frac{C }{kg\ s} \right]}[/math]
  Dawną jednostką mocy ekspozycji był Roentgen na jednostkę czasu.
• Dawka, zgodnie z normą PN 92/J-01003/05, to termin ogólny, oznaczający dawkę pochłoniętą, mogący również oznaczać np. równoważnik dawki. W dozymetrii i ochronie radiologicznej operuje się następującymi pojęciami dawek:
  • Dawka pochłonięta (D) czyli średnia energia, jaką traci promieniowanie, a pochłania ośrodek, przez który to promieniowanie przechodzi, przypadająca na jednostkę masy tego ośrodka.
    [math]D = \frac{\mathrm dE_\mathrm{sr}}{\mathrm dm}[/math]
    Jednostką dawki pochłoniętej jest grej Gy.
    [math]\unit 1{Gy} =\unit 1{\frac{J}{ kg}}[/math]
    Dawną jednostką dawki pochłoniętej był rad \left[rd\right] (roentgen absorption dose)
    [math]\unit 1 {rd} = \unit{10^{-2}}{\frac{ J}{kg}} = \unit{10^{-2}}{ Gy }[/math]
    Na dawkę pochłoniętą w powietrzu wyrażaną w grejach \left[Gy\right] może być również przeliczany Roentgen \left[R\right]:
    [math]\unit 1 R = \unit{0,00877}{Gy} = \unit{8,77}{mGy}.[/math]
    
• Energia przekazana jest to energia przekazana przez promieniowanie jonizujące materii w danej objętości
  [math]E = \Sigma R_\mathrm{in} - \Sigma R_\mathrm{out} + \Sigma Q\,\mathrm{\left[J\right]}[/math]
  gdzie:
  • [math]\Sigma R_\mathrm{in}[/math] — suma energii, z wyjątkiem energii spoczynkowej cząstek jonizujących, które weszły do danego obszaru;
  • [math]\Sigma R_\mathrm{out}[/math] — suma energii, z wyjątkiem energii spoczynkowej cząstek jonizujących, które wyszły z danego obszaru;
  • [math]\Sigma Q[/math] — różnica energii uwolnionej w przemianach jąder i cząstek elementarnych, jakie dokonały się w danym obszarze i energii zużytej na wywołanie tych przemian.
• Moc dawki pochłoniętej [math]\left(\dot{D}\right)[/math] czyli przyrost dawki pochłoniętej dD w przedziale czasu dt
  [math] \dot{D}= \unit{Jednostka: }{\left[ \frac{Gy}{ s} \right]}.[/math]
  Dawną jednostką mocy dawki pochłoniętej był rad na jednostkę czasu.

Wielkości charakteryzujące ryzyko dla zdrowia

Na efekt napromieniania żywego organizmu mają wpływ następujące czynniki:

• dawka pochłonięta;
• rozkład dawki w czasie;
• rodzaj promieniowania;
• wielkość napromienionego obszaru ciała;
• jaki narząd lub tkanka zostały napromienione;
• rodzaj napromienienia;
• wrażliwość osobnicza i gatunkowa.

Niektóre z tych czynników zostały uwzględnione w kolejnych pojęciach dawek (rys. Figure 1).

Wielkości charakteryzujące ryzyko dla zdrowia.

Wielkość oddziaływania promieniowania na organizm człowieka zależy od rodzaju tego promieniowania. Liczbowo określa się ją za pomocą czynnika wagowego promieniowania (w_R), którego wartości podano w Rozporządzeniu Rady Ministrów z dn. 18 stycznia 2005r. Dz. U. z dn. 3 lutego 2005r. poz. 168 (Tabela 4.1).

Figure 2: Wartości czynnika wagowego promieniowania (w_R) wg Rozporządzeniu Rady Ministrów z dn. 18 stycznia 2005r. Dz. U. z dn. 3 lutego 2005r. poz. 168

Rodzaj promieniowania i zakres energii, [math]R[/math]	wR
Fotony, wszystkie energie	1
Elektrony i miony, wszystkie energie	1
Neutrony, energia: poniżej 10 keV	5
od 10 keV do 100 keV	10
od 100 keV do 2 MeV	20
od 2 MeV do 20 MeV	10
powyżej 20 MeV	5
Protony z wyłączeniem protonów odrzutu, energia powyżej 2 MeV	5
Cząstki alfa, fragmenty rozszczepienia, ciężkie jądra	20

Dawka równoważna ([math]H_T[/math]) to dawka pochłonięta w tkance lub w narządzie T, ważona dla rodzaju i energii promieniowania R:

[math]H_T = \mathrm w_R \mathrm D_{T,R}[/math]

gdzie: [math]\mathrm D_{T,R}[/math] – dawka pochłonięta uśredniona w tkance lub narządzie T, pochodząca od promieniowania R, w_R – współczynnik wagowy promieniowania.

Jednostką dawki równoważnej jest siwert Sv

[math]\unit{1}{ Sv} =\unit{ 1}{ \frac{J}{kg}}[/math]

Figure 3: Wagowy czynnik tkanki (w_T), wg Rozporządzenia Rady Ministrów z dn. 18 stycznia 2005r, Dz. U. z dn. 3 lutego 2005r. poz. 168

Tkanka (narząd), T	wT 1)
Gonady	0,2
Czerwony szpik kostny	0,12
Jelito grube	0,12
Płuco	0,12
Żołądek	0,12
Pęcherz moczowy	0,05
Gruczoły piersiowe	0,05
Wątroba	0,05
Przełyk	0,05
Tarczyca	0,05
Skóra	0,01
Powierzchnia kości	0,01
Pozostałe	0,052), 3)

¹⁾ Wartości wyznaczone dla reprezentatywnej grupy osób,
o jednakowej liczbie przedstawicieli obu płci i o szerokim zakresie
przedziału wieku, przy definiowaniu dawki skutecznej,
mogą być stosowane niezależnie od płci
dla narażonych pracowników oraz ogółu ludności.
²⁾ Do celów obliczeniowych pozycja ”pozostałe” obejmuje
następujące tkanki (narządy): nadnercza, mózg, górną część jelita grubego,
jelito cienkie, nerki, mięśnie, trzustkę, śledzionę, grasicę, macicę lub inne,
które mogą zostać napromienione selektywnie.

³⁾ W wyjątkowych przypadkach, kiedy pojedyncza tkanka (narząd)
należąca do pozycji ”pozostałe” otrzymuje dawkę równoważną przekraczającą
największą dawkę w dowolnym z wymienionych w tabeli dwunastu narządów,
dla których wyznaczono określone wartości w_T należy
dla takiej tkanki (narządu) zastosować czynnik wagowy
równy 0,025 oraz czynnik 0,025 do średniej dawki w reszcie tkanek (narządów)
z pozycji ”pozostałe”.

Dawka skuteczna (efektywna) E to suma dawek równoważnych pochodzących od zewnętrznego i wewnętrznego narażenia, wyznaczona z uwzględnieniem odpowiednich współczynników wagowych narządów lub tkanek, obrazująca narażenie całego ciała:

[math]E = \Sigma_T \mathrm w_T H_T= \Sigma_T \mathrm w_T \Sigma_R \mathrm w_T \mathrm D_{T,R}[/math]

gdzie: [math]H_T[/math] – dawka równoważna; [math]\mathrm w_T[/math] – czynnik wagowy tkanki (narządu); [math]\mathrm D_{T,R}[/math] – dawka pochłonięta uśredniona w tkance lub narządzie T, pochodząca od promieniowania R; [math]\mathrm w_R[/math] – współczynnik wagowy. Jednostką dawki skutecznej jest siwert [Sv].

Równoważnik dawki (H) to iloczyn dawki pochłoniętej D w określonym punkcie tkanki i współczynnika jakości promieniowania Q

[math]H = Q\; D[/math]

Jednostką dawki skutecznej jest siwert [Sv]. Dawną jednostką dawki skutecznej był rem (ang. roentgen equivalent man)

[math]\unit{1}{rem} = \unit{10^{ -2}}{\frac{ J}{ kg}} = \unit{10^{-2}}{Sv}[/math]

Wspólczynnik jakości promieniowania Q zgodnie z normą PN 92/J-01003/02 to współczynnik uwzględniający zależność prawdopodobieństwa wystąpienia stochastycznych skutków biologicznych, od rodzaju i energii promieniowania, stosowany przy określaniu równoważnika dawki. Współczynnik jakości jest wielkością bezwymiarową; przy określeniu równoważnika dawki przypisuje mu się miano Sv/Gy. Wartości współczynnika jakości podano w Tabeli Figure 4.

Figure 4: Wartości wspólczynnika jakości promieniowania (Q) wg Rozporządzenia Rady Ministrów z dn. 18 stycznia 2005r, Dz. U. z dn. 3 lutego 2005r. poz. 168

L w wodzie [math]\unit{ }{[ \frac{keV}{ μm} ]}[/math]	[math]Q(L)[/math]
< 10	1
10 ¸ 100	0,32 L – 2,2
> 100	300 PIERW(LET)

Symbol LET w powyższej tabeli oznacza liniowe przekazanie energii (L;LET), które jest określone dla danego materiału dla cząstek naładowanych jako:

[math]L_\Delta = \left(\frac{\mathrm dE}{\mathrm dl}\right)_\Delta[/math]

gdzie dE to energia tracona podczas przejścia odległości dl przez cząstkę naładowaną, wskutek zderzeń z elektronami, przy których straty energii są mniejsze od określonej wartości [math]\Delta[/math]. Jednostką LET jest [math]\unit{ }{\left[\frac{J}{ m}\right]}[/math]. Jednostką legalną jest także: [math]\unit{ }{\left[\frac{eV}{ m}\right]}[/math].

Moc równoważnika dawki [math]\left(\dot{H}\right)[/math] to iloraz dH przez dt, gdzie dH jest przyrostem równoważnika dawki w przedziale czasu dt:

[math]\dot{H} = \frac{\mathrm dH}{\mathrm dt}[/math].

Jednostką mocy równoważnika dawki jest [math]\frac{\mathrm{Sv}}{\mathrm s}[/math]. Dawną jednostką był rem na jednostkę czasu.

Wielkości operacyjne

Dawka równoważna i dawka efektywna są praktycznie niemierzalne, przede wszystkim ze względu na konieczność wyznaczenia dawek w poszczególnych narządach konkretnej osoby poruszającej się w polu promieniowania. Zazwyczaj nie jest też określony skład oraz widmo energii cząstek padających na ciało człowieka, co czyni problematycznym wyznaczenie współczynników [math]\mathrm w_R[/math].

Dla celów praktycznej ochrony radiologicznej International Commission on Radiation Units and Measurements (Międzynarodowa Komisja ds. Jednostek Promieniowania i Pomiarów) wprowadziła tzw. wielkości robocze które są mierzalne i umożliwiają ocenę dawki efektywnej.

W zależności od roli spełnianej w ochronie radiologicznej, wielkości te można podzielić na dwie klasy:

• wielkości służące do monitorowania zewnętrznych pól promieniowania, czyli do oceny narażenia a priori. Na podstawie tych pomiarów opracowuje się regulaminy pracy i wylicza bezpieczny czas przebywania ludzi w poszczególnych strefach pola promieniowania.
• wielkości służące do kontroli indywidualnej, czyli do sprawdzenia a posteriori, jaką dawkę dana osoba rzeczywiście otrzymała w pewnym okresie czasu.

Wielkości służące do monitorowania zewnętrznych pól promieniowania to przestrzenny równoważnik dawki, [math]H*(d)[/math] w przypadku promieniowania przenikliwego i kierunkowy równoważnik dawki, [math]H'(d,W)[/math] w przypadku promieniowania słabo przenikliwego.

Przestrzenny równoważnik dawki w pewnym punkcie pola promieniowania jest to taki równoważnik dawki, który byłby wytworzony przez odpowiednie pole rozciągłe i zorientowane w kuli ICRU na głębokości d wzdłuż promienia ustawionego w kierunku przeciwnym do kierunku pola. Jednostką przestrzennego równoważnika dawki jest siwert [Sv]. Podstawową wielkością roboczą dla promieniowania przenikliwego jest [math]H*(10)[/math].

Kierunkowy równoważnik dawki, jest zdefiniowany w ten sam sposób, ale wyznaczany wzdłuż promienia wyznaczającego określony kierunek W. Jednostką kierunkowego równoważnika dawki jest siwert [Sv].

W przypadku promieniowania słabo przenikliwego zaleca się stosowanie d = 0,07 mm dla oceny dawki równoważnej na skórę oraz d = 3 mm dla dawki równoważnej w soczewkach oczu.

Wspomniana wcześniej kula ICRU to fantom symulujący ciało ludzkie w postaci kuli o średnicy 30 cm i gęstości [math]\unit{1}{\frac{ g}{cm^3}}[/math], wykonanej z materiału równoważnego tkance o składzie masowym: 76,2% tlenu, 11,1% węgla, 10,1% wodoru i 2,6% azotu.

Pole rozciągłe to, zgodnie z normą PN 92/J-01003/02, hipotetyczne pole promieniowania, w którym fluencja cząstek, ich rozkład energii oraz ich rozkład kątowy wewnątrz określonej objętości pomiarowej są takie same jak w rzeczywistym polu promieniowania w rozpatrywanym punkcie.

Pole zorientowane to, zgodnie z normą PN-92/J-01003/02 hipotetyczne pole promieniowania, w którym wszystkie cząstki poruszają się w jednym kierunku.

Wielkości służące do kontroli indywidualnej

Wielkości służące do kontroli indywidualnej pozwalają na ocenę narażenia indywidualnego. W tym celu wykorzystuje się m.in. indywidualny równoważnik dawki [math]Hp(d)[/math] zdefiniowany jako równoważnik dawki pochłoniętej w tkankach miękkich na głębokości d poniżej określonego punktu ciała. Zalecane wartości głębokości d są takie same, jak w przypadku monitorowania pól zewnętrznych, a pomiarów dokonuje się za pomocą odpowiednio wzorcowanych dawkomierzy indywidualnych.

W celu monitorowania narażenia osób ustala się dawki graniczne, czyli wartości dawki promieniowania jonizującego, wyrażone jako dawka skuteczna lub dawka równoważna dla określonych grup osób, pochodzące od kontrolowanej działalności zawodowej, której, poza przypadkami przewidzianymi w ustawie, nie wolno przekroczyć. Zostaną one omówione w rozdziale o dawkach granicznych.

Wielkości związane z narażeniem wewnętrznym

Przedmiotem oceny, z punktu widzenia narażenia wewnętrznego człowieka są radionuklidy, które wniknęły do organizmu człowieka drogą pokarmową, oddechową, poprzez rany lub innymi sposobami oraz pochodzące od nich narażenie.

W dozymetrii skażeń wewnętrznych używa się następujących wielkości i pojęć:

1. Efektywny okres półtrwania [math]\left(T_{eff}\right)[/math]
   

   [math]T_{eff} = \frac{T_{\nicefrac 1 2} T_b}{T_{1/2}+T_b}[/math],
   

   gdzie [math]T_b[/math] — biologiczny czas usuwania z organizmu połowy wchłoniętej aktywności izotopu — czas w którym z przyczyn metabolicznych, połowa ilości izotopu przebywającego w ustroju zostaje przez ustrój samorzutnie usunięta, [math]T_{\nicefrac 1 2}[/math] — fizyczny (promieniotwórczy) okres półrozpadu danego izotopu.
2. Kerma (K) (Kinetic Energy Released per unit Mass) — iloraz dE_tr przez dm, gdzie dE_tr jest sumą początkowych energii kinetycznych cząstek naładowanych, uwolnionych w materiale o masie dm przez cząstki pośrednio jonizujące:
   

   [math]K = \frac{\mathrm dEtr }{\mathrm dm}[/math]
   

   Jednostką kermy jest grej [Gy].

Więcej wiadomości

• PN 92/J-01003/02
• IAEA BSS/96 International Basic Safety Standards, IAEA Safety Series No 115. 1996

---