Основные единицы измерения

Из книги "Первая медицинская помощь при радиационных авариях"

Когда, излучение пронизывает вещество, то на него оказывает воздействие только та часть энергии частиц излучения, которая при этом передается веществу, поглощается им. Основной количественной характеристикой воздействия радиоактивного излучения на объект является поглощенная доза излучения. Поглощенная энергия может быть определена как разность энергии излучения на входе и выходе из данного объема среды, суммированная с энергией, выделяемой и освобождаемой в процессе взаимодействия частиц излучения с веществом, заключенным в этом объеме. Поглощенная доза излучения - это отношение поглощенной энергии излучения к массе вещества в рассматриваемом объеме.

Единицей измерения поглощенной дозы является Джоуль на 1 кг. Часто пользуются другой единицей - рад, которая соответствует 1/100 Дж/кг.

1 рад=10E-2 Дж/кг = 1 сДж/кг

Полезно помнить соотношение:

1 Дж/кг = 2,388-10E-4 ккал/кг = 6,242.1015 эВ/г

Мощность поглощенной дозы есть отношение поглощенной дозы излучения за данный промежуток времени к этому промежутку времени. Обычно применяющиеся единицы измерения мощности дозы - рад/с, рад/мин и рад/ч - соответствуют новым единицам сДж/кг-с сДж/кг-мин и сДж/кг-ч. Кроме того, 1 сДж/кг-с=1 сВт/кг.

Измерение поглощенной дозы излучения

Прямое измерение поглощенной дозы с помощью микрокалориметрии затруднено вследствие небольшой абсолютной величины поглощенной энергии и требует сложного экспериментального оснащения. Поэтому на практике используются косвенные методы измерения.

Счетчик частиц излучения. Если известны энергетическое распределение излучения и его геометрия, можно по числу частиц на единицу объема и времени рассчитать дозу излучения и ее пространственное распределение. Однако этот метод недостаточно надежен. С помощью громоздких вычислений можно несколько повысить точность метода, однако он находит применение только в некоторых определенных случаях, в частности при расчетах доз излучения от кобальтовых источников. Счетчики частиц излучения используются также в системе радиационной защиты, при которой важно получить результаты быстро и оперативно, иногда даже за счет снижения требований к их точности.

Ионизационные камеры. Для измерения равновесной ионизационной дозы рентгеновского и ?- излучений широко применяются воздухонаполненные ионизационные камеры. Равновесная ионизационная доза, измеряемая в рентгенах, характеризует ионизирующую способность фотонного излучения в воздухе. Однозначная связь между дозой излучения, измеренной в рентгенах, и поглощенной дозой может быть установлена только в случае, когда доза излучения измеряется в воздушном объеме , окруженном слоем воздухоэквивалентного вещества (стенки ионизационной камеры), толщина которого больше пробега вторичных электронов (т. е. когда соблюдается условие электронного равновесия) . Поэтому ионизационные камеры карманных дозиметров имеют соответствующую толщину стенок и изготавливаются из воздухоэквивалентных материалов.

Дозиметры-зонды. Прямое определение поглощенной дозы в полости какого-либо объекта возможно с использованием метода Брэгга-Грея. При этом газонаполненная ионизационная камера-зонд вводится внутрь облучаемого объекта. Соотношение между поглощенной и равновесной ионизационной дозой остается постоянным в широком интервале энергий фотонов (10 кэВ -ЗМэВ).

С помощью дозиметра-зонда можно измерить равновесную ионизационную дозу в полости тела человека или в фантоме, который изготовлен из тканеэквивалентных материалов и имеет соответствующие форму и размеры.

В дозиметрии нейтронов также используется метод Брэгга-Грея. При этом материалы, из которых изготовляется детектор нейтронов (камера и наполняющий ее газ), должны быть тканеэквивалентными (в данном случае в основном по содержанию в них водорода). Кроме того, этот метод применяется и в твердотельной дозиметрии.

Твердотельные дозиметры. В системе обеспечения радиационной безопасности весьма широко используются твердотельные дозиметры. К последним относятся также фотопленочные дозиметры, дозиметры, основанные на окрашивании твердых материалов, и, наконец, твердые вещества, активируемые нейтронами.

Относительная биологическая эффективность и коэффициент качества излучения

Биологическое действие зависит не только от поглощенной дозы, но и от вида излучения и объемного и временного распределения дозы. Если неизвестно объемное распределение дозы, можно использовать ее среднее значение или величину всей поглощенной энергии в полном объеме, которую иногда называют интегральной поглощенной дозой.

Различия в биологическом действии излучений разных видов обусловлены разницей в величине плотности ионизации (плотности ионизации соответствует часто применяемая для характеристики излучения величина линейной передачи энергии - ЛПЭ).
Для оценки биологического действия различного рода излучений было введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ).
Для данного вида излучения ОБЭ численно равна отношению его поглощенной дозы к поглощенной дозе эталонного излучения при условии, что обе дозы вызывают одинаковое биологическое действие. В качестве эталонного принято моноэнергетическое - 200 кВ рентгеновское излучение.

В настоящее время вместо ОБЭ используется оценочный коэффициент (К) . Умножение данной поглощенной дозы "а К дает величину эквивалентной дозы. ОБЭ и К - безразмерные величины, связанные с видом излучения, энергией частиц и специальными условиями облучения. Для оценки зависимости биологического эффекта хронического облучения организма данным видом ионизирующего излучения от ЛПЭ этого излучения рекомендована новая величина - коэффициент качества (КК). Эквивалентная доза в принципе измеряется в тех же единицах, что и поглощенная доза . (Дж/кг). Однако для того чтобы их не путать, для эквивалентной дозы используется специальная единица измерения биологический эквивалент рада - бэр.

1 бэр=1 сДж/кг

Как указывалось выше, коэффициент качества зависит в основном от ЛПЭ излучения. Для рентгеновского, ?- и ?- излучения с малой плотностью ионизации (и соответственно малыми ЛПЭ) КК-1. Излучению с большей плотностью ионизации соответствует большая величина КК. Для тепловых нейтронов и протонов КК~3, для нейтронов и протонов с энергией примерно 1 МэВ КК~10. Для тяжелых ?- частиц и ядер отдачи КК принимается равным 10-20 вне организма.

Приборное оснащение

Приборы, используемые для проведения радиационного мониторинга, можно подразделить на следующие группы: стационарные, переносные, портативные, индивидуальные и лабораторные. Стационарные, переносные и портативные приборы, в свою очередь, подразделяются на приборы для проведения радиационного мониторинга и мониторинга радиоактивного загрязнения.

Приборы радиационного мониторинга
С помощью приборов радиационного мониторинга можно измерить мощность дозы и/или дозу. Дозиметры, измеряющие мощность дозы бета - и гамма-излучения, обычно калиброваны по источнику гамма-излучения и некоторые из них могут завышать значения мощности дозы бета- излучения. Приборы для измерения мощности дозы бета- и гамма-излучения, обычно имеют окно, позволяющее бета-излучению попасть на детектор. Прибор с открытым окном измеряет бета- и гамма-излучение, с закрытым окном - только гамма-излучение. Такие приборы могут характеризоваться наличием или отсутствием достаточной прочности для проведения полевых измерений. Следует проявлять осторожность во избежание повреждения окна. Более прочны дозиметры для измерения мощности дозы гамма-излучения, в которых отсутствует тонкостенное окно, однако они не позволяют измерить мощность дозы бета-излучения, гамма-излучения низкой энергии и рентгеновского излучения. Дозиметры для измерения мощности дозы бета- и гамма-излучения можно разделить на приборы, регистрирующие дозы в низком или фоновом диапазоне, среднем и высоком диапазонах.
Низкий (фоновый) диапазон 0.05 m3в/ч -100 mЗв/ч
Средний диапазон 10 mЗв/ч -10 мЗв/ч
Высокий диапазон 1 мЗв/ч - 10 Зв/ч

Приборы, регистрирующие дозы в высоком диапазоне, часто снабжены удлинительной штангой для увеличения расстояния между оператором и источником. На этапе планирования ответных действия на радиационные аварии важно иметь в наличии приборы, которые позволят проводить дозиметрию в диапазоне доз, которые могут возникнуть при аварийной ситуации. В случае аварии при транспортировке может оказаться достаточным наличие только приборов низкого и среднего диапазона. При серьезных авариях с вовлечением источника высокой активности дополнительно необходимы приборы среднего и высокого диапазонов. Для портативных приборов желательно также наличие звукового индикатора. В случае возможного проведения измерений при сильном шуме (транспорт или работа машинного оборудования), полезны наушники, которые помогут оператору определить участки максимальных уровней мощности дозы. Стационарные дозиметры для измерения мощности дозы, как правило, имеют набор визуальных и звуковых индикаторов, могут иметь возможность передавать численные значения и сигналы тревоги на центральный контрольный пункт мониторинга.

Портативные приборы могут быть с цифровыми или аналоговыми шкалами. Следует быть внимательным при работе с приборами, имеющими цифровые выходы и автоматическое преобразование результатов из микрозивертов в час в милизиверты в час. Шкала должна быть четко читаема на ярком солнце, при сильном дожде, а также иметь подсветку для работы в темное время. Время установки показаний должно быть таковым, чтобы позволить оператору считать результаты без чрезмерной задержки вследствие ожидания прекращения колебания значений вокруг определенной цифры. Аналоговые шкалы могут быть логарифмическими, квази-логарифмическими или линейными. Следует заранее подготовить оператора к работе с логарифмической шкалой, чтобы обеспечить правильное считывание результатов. Приборы с линейной шкалой часто имеют переключатель диапазона, чаще всего, х1, х10, х100. Такие приборы следует откалибровать для работы на двух третях (2/3) полной шкалы на каждом диапазоне. Некоторые приборы могут иметь несколько детекторов: один для измерений в среднем диапазоне, второй - в высоком диапазоне. Такие приборы должны быть откалиброваны по обоим детекторам.

Дозиметры нейтронного излучения относятся к специальным приборам, обычно имеющимся только на ядерных объектах, где требуются рутинные измерения мощности дозы нейтронного излучения. Такие дозиметры обычно калибруются в единицах эквивалентной дозы, громоздки, поскольку содержат замедлитель нейтронов, необходимый для замедления потока нейтронов на пути к детектору. При использовании большинства имеющихся в наличии приборов следует использовать поправочные коэффициенты, учитывающие различных спектры нейтронов.

Измерители радиоактивности (радиометры)

Измерители радиоактивности (радиометры) делятся на радиометры загрязнения поверхностей и радиометры загрязнения воздуха. Радиометры загрязнения поверхностей обычно называют измерителями радиоактивности (радиометрами). Стационарные приборы, такие как радиометры поверхностного загрязнения кожных покровов и одежды, располагаются на границе загрязненной контролируемой территории. В случае аварии могут быть установлены временные зоны контроля загрязнения, при выезде из которых весь персонал, транспорт и оборудование проверяются на радиоактивное загрязнение. Портативные приборы мониторинга радиоактивного загрязнения используются для контроля поверхностного загрязнения, явившегося следствием утечки радиоактивности из твердого или жидкого источника, распространения радиоактивности при перемещении открытого источника, попадания радиоактивного материала в воздух. Эти приборы также используются для мониторинга загрязнения поверхности кожи и одежды людей, инструментальных средств, полов, стен, машин и т.д.

Важным является выбор радиометров радиоактивного загрязнения поверхностей, наиболее соответствующих виду и энергии измеряемого излучения (альфа-, бета- или гамма-). Регистрация альфа-излучения осуществляется сцинтилляционным детектором с сернистым цинком. Фотоэлектронный умножитель преобразует световые вспышки сцинтиллятора в электрические импульсы, которые поступают на измерительный пульт, где стрелка прибора непосредственно показывает результат измерения в импульсах в секунду (имп/сек) или импульсах в минуту (имп/мин). В качестве детекторов могут также использоваться кремниевые полупроводниковые детекторы и тонкостенные счетчики Гейгера-Мюллера. Поскольку альфа-частицы имеют небольшую длину пробега в воздухе, измерения загрязнения альфа-частицами важно проводить вблизи поверхности без непосредственного контакта с ней (для избежания загрязнения прибора) и предотвращения повреждения тонкостенного окна детектора. Представляет сложность мониторинг альфа-загрязнения влажной поверхности, вследствие экранирования излучения водой. Если поверхность не является гладкой и абсорбирующей, как, например, поверхность машины или стола, результаты непосредственного мониторинга альфа-излучения могут явиться лишь индикатором наличия альфа-активности и могут ее грубо недооценивать.

Наиболее общепринятые виды приборов мониторинга бета- и гамма-излучения используют в качестве детектора счетчик Гейгера-Мюллера. Такие детекторы обычно являются прочными и дают хорошее усиление сигнала, однако не позволяют отличить гамма-излучения различных энергий. Для мониторинга загрязнения бета- и гамма-излучателями также используют синтилляционные детекторы с фосфатным стеклом и твердыми кристаллами (например, NаI). Для измерения бета- и гамма-излучения низких энергий необходимы детекторы с тонкостенными окнами. Для замедления бета-частиц высоких энергий могут понадобиться более прочные приборы с окнами большей толщины. Такие приборы имеют обычно насадку или заслонку на конце, которая в открытом состоянии позволяет измерять бета- и гамма-излучения, а в закрытом - только гамма-излучение. Некоторые приборы имеют в комплекте сменные блоки детектирования. Важно правильно отрегулировать напряжение и градуировку для каждого блока. Радиометры могут иметь цифровую или аналоговую шкалы. Замечания, сделанные ранее относительно цифровых и аналоговых шкал дозиметров, применимы и в данном разделе. Существенным дополнением к комплекту радиометра является звуковой индикатор, который позволяет оператору концентрировать внимание на определении местоположения источника, а не следить постоянно за показаниями шкалы. Показания шкалы оцениваются в сочетании со звуковым индикатором. Можно использовать наушники, которые дадут возможность оператору четко слышать звуковой индикатор при работе в условиях окружающего шума или для создания тишины, что позволит избежать ненужного беспокойства. Важно, чтобы выбранный радиометр поверхностного загрязнения был калиброван соответствующим образом на определение радионуклидов в геометрии образца, отражающей условия проведения измерений.

Также в наличии имеются радиометры, позволяющие определить поверхностное загрязнение только гамма-излучателями, использующие в качестве детекторов сцинтилляционные счетчики, пропорциональные счетчики, ионизационные камеры и счетчики Гейгера-Мюллера. При выборе наиболее подходящего прибора для проведения полевых измерений в условиях аварийной ситуации наибольшее внимание следует уделить прочности прибора, использованию имеющихся в наличии батарей, которые могут быть легко заменены в полевых условиях, и простоте использования прибора.

Существует большое количество сложных приборов мониторинга загрязнения поверхностей. Такие приборы должны использоваться только обученными операторами. Для общих целей предпочтительнее использование менее сложных приборов.

Гамма-спектрометры in-situ
Гамма-спектрометрия in-situ (Раздел Г) является методом быстрой оценки загрязнения поверхностей гамма-излучающими радионуклидами. Результаты измерений методом гамма-спектрометрии in-situ и характеризуются неопределенностью вследствие многих причин, особенно вследствие различия между реальным распределением измеряемого источника и принятого распределения для расчета поправочных коэффициентов. Должны быть учтены характеристики местности в точке измерения (открытая, ровная, плоская поверхность, на которой не проводилось сельскохозяйственной или другой деятельности, которая бы могла разрушить вертикальное распределение радионуклидов в профиле почвы после того, как произошли выпадения; было бы идеально, если бы она была отдалена от объектов, которые могли бы помешать измерениям). Следует поместить детектор в определенное положение (1 метр над поверхностью земли в положении головки детектора вниз).

В аварийной ситуации пересчет интенсивности линии спектра в значение поверхностного загрязнения обычно проводят, используя допущение, что радионуклиды равномерно распределены по поверхности земли. В зависимости от некоторых условий (сухие или влажные выпадения, время, прошедшее после аварии, физико-химические характеристики почвы, неровности поверхности и т.д.) данное допущение может привести к недооценке общей активности радионуклидов, первоначально выпавших на единицу площади поверхности. Однако это различие, скорее всего не превысит фактора 2 при условии, что измерения проведены в течение ранней или промежуточной фаз послеаварийного периода (то есть, вскоре после выпадений) [б].

Использование гамма-спектрометрии in-situ при повышении уровней загрязнения поверхности становится более и более трудным вследствие высокой чувствительности детекторов с NаI(Тl) и Gе. На результаты анализов могут влиять мертвое время счетчика, искажения формы пика спектра. Стандартный германиевый детектор с относительной эффективностью 20 - 30 % начинает давать отклонения от нормальной работы при загрязнении поверхности 137Сs выше 1 МБк/м2 [7,8]. Для увеличения на порядки диапазона применимости спектрометра можно снизить чувствительность детектора путем его экранирования, либо использовать другой детектор меньшей эффективности.

Выбор типа детектора зависит от некоторых условий и обстоятельств. Германиевый детектор имеет преимущества высокого разрешения, которое позволяет более конкретно установить отдельные радионуклиды и, как следствие этого, более аккуратно определить активность каждого радионуклида, присутствующего в пробе. Однако некоторые характеристики германиевого детектора (непрочная конструкция, неустойчивость к повреждению, необходимость охлаждения до очень низких температур, чаще всего с использованием жидкого азота) ограничивают сферу его использования. С другой стороны, простой, надежный, прочный сцинтилляционный детектор с NаI(Тl) имеет преимущество противостояния повреждающим факторам окружающей среды, однако пользователь должен помнить об ограниченной разрешающей способности данного типа детектора*.

Выбор детектора также зависит от вида аварии. Например, загрязнение окружающей среды одним или несколькими гамма-излучателями (131I или 137Сs) может быть легко определено с помощью детектора с NаI(Тl), в то время как для идентификации радионуклидов в смеси потребуется проведение спектрометрии с использованием Gе детектора.

* При использовании спектрометров или других детекторов в условиях низкой температуры окружающей среды (значительно ниже 0°С) следует соблюдать осторожность: детекторы с NаI(Тl) могут поломаться, может остановиться работа портативных компьютеров и т.п. В таких условиях желательно использование прочных (военных) моделей приборов.

Индивидуальные дозиметры
При необходимости входа в зоны высоких уровней доз, аварийный персонал должен быть оснащен индивидуальными дозиметрами. Тип имеющихся в наличии индивидуальных дозиметров зависит от местной службы дозиметрии. Они могут быть термолюминесцентными (ТЛД) в виде пластинок или таблеток, фотопленочными или стеклофосфатными. Для того чтобы считать показания и оценить дозу облучения по показаниям вышеуказанных дозиметров, они должны быть возвращены в службу дозиметрии. В аварийных ситуациях в дополнение к этим дозиметрам часто желательно иметь прямопоказывающие дозиметры. Преимуществом прямопоказывающих дозиметров является то, что владелец может сказать, какую дозу он/она получил(а) к определенному времени или во время проведения определенных действий. Дозиметры на кварцевых волокнах - обычно используемые, относительно недорогие прямопоказывающие дозиметры. Электронные прямопоказывающие индивидуальные дозиметры так же, как правило, являются доступными и имеют преимущество в том, что в дополнение к визуальному выходу они оснащены зуммером, который подает звуковой сигнал на каждое приращение получаемой дозы, а также может подавать сигнал тревоги при достижении определенного заранее уровня. Увеличение частоты звуковых сигналов немедленно предупреждает владельца об изменении мощности амбиентной дозы вблизи него/нее. В случае невозможности использования прямопоказывающих дозиметров группами аварийного мониторинга, оценку уровней доз облучения членов группы можно проводить, используя величины мощности дозы на определенной территории и время пребывания на этой территории. Некоторые виды дозиметров, измеряющих мощность дозы, могут также иметь возможность измерения интегрированной дозы.

Бета-счетчики
Бета-счетчики со свинцовым домиком полезно использовать в мобильных и стационарных лабораториях для суммарного счета бета- и гамма-излучающих нуклидов и быстрого скрининга большого количества проб. В таких счетчиках используются детекторы типа тонкостенных торцевых трубок Гейгера. Скорость счета отображается на пересчетном устройстве, которое должно быть более прочным на приборах, перемещаемых с места на место по сравнению с используемыми в лабораторных условиях.

Отбор проб
При отборе проб окружающей среды важно отобрать репрезентативные пробы, анализ которых позволил бы точно и быстро определить уровень и степень радиоактивного загрязнения земли, воды, пищевых продуктов, растений и т.д. Методы отбора проб, используемые различными группами, должны быть согласованными.

Пробы следует отбирать в местах, которые являются репрезентативными для территории и радиоактивное загрязнение которых наиболее вероятно: на вершине холмов, где выпал дождь, на равнине. Не следует проводить отбор в наиболее доступных местах, например, вдоль дорог, на обрыве, в канаве, под деревьями и т.д. Полезно иметь четырехколесное транспортное средство, что обеспечит доступ к территории. Все пробы следует отобрать и поместить в соответствующую емкость, которая позволяет сохранять пробы в разных условиях (если это необходимо). Пробы должны быть маркированы с указанием природы образца, места, даты и времени отбора, обозначением группы отбора проб.