Здравствуйте, с Вами Redlynx. Думаю, многие из Вас не раз задавались вопросом, почему у радиации так много разных единиц измерения? Почему, например, предельно допустимая доза для человека измеряется в Зивертах? Сколько это будет в бэрах? Почему в кюри её считать совершенно некорректно, а единицы измерения по типу мЗв/час или мкР/час вообще неправильно называть дозой, но к дозиметрии имеют самое прямое отношение и крайне важны? Интересно? Тогда вперёд!
1 Кюри и беккерели [Ки] и [Бк]
Ионизирующее излучение (радиация) возникает не на пустом месте, а за счёт самопроизвольного распада ядер нестабильных химических элементов, в результате чего образуется ядро нового химического элемента и испускается радиоактивная частица. Это явление назвали радиоактивностью. Количество таких распадов в единицу времени можно посчитать. Собственно, один распад в секунду — это и есть беккерель или 1 Бк = 1 распад/с. Раньше, когда о вреде радиации люди знали очень мало, за некую единицу радиоактивности предложили использовать активность одного грамма радия-226. Назвали эту единицу кюри (Ки) в честь известного семейства физиков. По смыслу, кюри - это всё те же распады в секунду, только вот количественно чуть-чуть побольше. 1 Ки - это 3,7Х10^10 Бк или 37 миллиардов распадов в секунду. Именно столько распадов в секунду происходит в 1 грамме радия-226.
Итак, запомним, что кюри и беккерели - это по физическому смыслу распады в секунду, но кюри в 37 миллиардов раз больше беккереля или 1 Ки = 37000000000 Бк. В них измеряют радиоактивность.
Названы эти единицы были в честь семейства Кюри и Антуана Анри Беккереля, фото ниже.
Фишка в том, что в распадах в секунду можно измерить лишь количество альфа- и бета-частиц, испускаемых источником радиации в единицу времени на определённой площади (Бк/м^2) или в определённом объёме (Бк/литр), поскольку их количество соответствует числу актов распада. Такими измерениями занимаются учёные с помощью специального прибора — радиометра. В быту же Вы можете столкнуться с этими единицами измерения, если у Вас в руках окажется прибор, называемый дозиметром-радиометром. Почему слово «дозиметр» заключено в кавычки? Да потому что как правило такой «дозиметр» измеряет не дозу, а мощность дозы и правильнее его называть рентгенометром, но это как раз тот случай, когда капитализм «полюбил» русский язык и физику, так как для маркетологов первый вариант названия показался более предпочтительным. Но сути это сильно не меняет, не забивайте себе голову. Просто такой вот интересный факт. Только не стоит забывать, что для того чтобы при помощи дозиметра-радиометра измерить количество испускаемых альфа- или бета-частиц, его детектор нужно поднести вплотную к предполагаемому источнику радиации, поскольку улетают эти частицы недалеко (если сам их источник — не газ, разумеется). У альфа-частиц, например, длина пробега в воздухе составляет всего несколько сантиметров.
2 Рентгены [Р] и экспозиционная доза излучения
С альфа- и бета-излучением, вроде, разобрались, но как быть с фотонным излучением? Оно бывает двух видов: рентгеновское и гамма-излучение. По сути, это просто сгустки (кванты) энергии, испускаемые атомом, когда он из возбуждённого состояния переходит в невозбуждённое. Зарядом или массой эти самые кванты не обладают, зато несут в себе огромное количество энергии. Такое, что если этот самый гамма-квант столкнётся с мирно летящим атомом в какой-нибудь нейтральной молекуле с суммарным зарядом, равным нулю, он точно выбьет оттуда электрон.
Таким образом из нейтрального атома после встречи с гамма-квантом образуется электрон-дырочная пара, условные плюс и минус, где свободный электрон - это минус, а атом или молекула, где его недостаёт (дырка) — плюс. Причём этот бедный выбитый электрон от взаимодействия с гамма-квантом получает такой заряд бодрости и позитива, что сам выбивает электроны из летящих рядом молекул, запустив целую лавину ионизации (ион - это, собственно, атом, обладающий зарядом).
Как вы уже догадались, количество образовавшихся электрон-дырочных пар можно посчитать. Для этого было введено понятие экспозиционной дозы. В системе СИ эта величина измеряется в Кулонах на килограмм (Кл/кг) но поскольку один кулон - это очень большой заряд, для расчётов обычно используют рентген. 1 рентген - это 2,58Х10^-4 Кл/кг или 0,000258 Кл/кг. Названа эта единица в честь человека, открывшего Х-лучи — Вильгельма Конрада Рентгена.
Так что же такое экспозиционная доза? Мы с вами выяснили, что ионизирующее излучение назвали так неспроста, а потому что оно способно всё вокруг ионизировать — грубо говоря, нейтральные атомы и молекулы под его воздействием превращаются в заряженные. В случае с рентгеновским и гамма-излучении, ионизация будет происходить с образованием электрон-дырочных пар. А если где-то есть источник радиации, первым делом он будет ионизировать воздух. Не вакууме же мы живём. Так вот, экспозиционная доза — это отношение суммарного заряда ионов одного знака в некотором объёме воздуха к массе этого воздуха. Поскольку образуются пары ионов, зарядов другого знака будет столько же.
Зная это соотношение, измеряемое в кулонах на килограмм или в рентгенах, можно приблизительно рассчитать энергию, которая была передана воздуху излучением. В физические подробности мы вдаваться не будем, а скажем лишь, что при излучении в 1 рентген одному грамму воздуха передаётся энергия, равная 87,7 эрг (энергетический эквивалент рентгена).
Эрг (энергетический эквивалент рентгена) — это единица измерения энергии, её легко можно перевести в Джоуль или электронвольт. Соотношение следующее: 1 эрг равен 0,00000001 Дж или примерно равен 0,6 ТэВ. Эрг/г — это единицы измерения поглощённой дозы (отношение энергии к массе), их довольно часто можно встретить в литературе.
Так почему бы не остановиться на подсчёте одной только экспозиционной дозы в Рентгенах? Как проще бы жилось! Дело в том, что экспозиционную дозу можно измерить лишь для воздуха, а не для живой ткани, например. Следующим ограничением является тот факт, что она рассчитывается только для фотонного излучения (рентгеновское и гамма-) да причём с энергией фотонов не более 3 МэВ. Альфа- же и бета-излучение, как и гамма-излучение с высокой энергией, этим способом «детектиться» не будут, не говоря уже о нейтронном излучении. К тому же, все расчёты с использованием данной величины весьма приблизительны, поэтому-то от неё, начиная с 1 января 1990 года, все начали дружно отказываться.
3 Греи [Гр] и рады [рад]. Поглощённая доза излучения
Вот и пришло время поговорить о поглощённой дозе излучения. Поглощённая доза — это отношение энергии, поглощённой неким веществом (не обязательно воздухом), к массе этого вещества. Измеряется в джоулях на килограмм или греях. Грей — это законная системная единица измерения поглощённой дозы.
1 Гр = 1Дж/кг.
Вроде бы всё предельно просто и понятно, но тогда что же такое рад (rad — radiation absorbed dose) и почему до сих пор многие измерительные приборы показывают уровень радиации именно в радах? В предыдущем разделе мы говорили, что экспозиционной дозе в 1 рентген соответствует примерно 87,7 эрг/г энергии, поглощённой воздухом. Для биологической ткани 1 рентген будет соответствовать примерно 96 эрг/г, а 100эрг/г — это и есть 1 рад. Из этих утверждений следует, что экспозиционная доза в 1 рентген примерно соответствует поглощённой дозе в 1 рад. 1 грей же в сто раз больше рада. Чтобы Вы окончательно не запутались, вот Вам соотношение:
1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр ~ 1 Рентген.
Тут такую штуку надо понимать, что рентген в данном контексте - это огромный глобус в кабинете географии, а рад — очень маленькая и застенчивая сова. С точки зрения физического смысла — это разные вещи, но если сильно постараться — натянуть можно! А в старину, когда не было этих ваших, сцинтилляционных да термолюминесцентных дозиметров на поглощённую дозу, а все, как завещал Ильич, ходили с продолговатыми ионизационными камерами — ещё как натягивали и делали это с большим удовольствием. Очень удобно для расчётов знать, что 1 рентген это примерно 1 рад, пусть даже по физическому смыслу это не одно и то же.
Итак, ещё раз: греи и рады — это отношение энергии к массе вещества (и воздуха в т ч). В них измеряют поглощённую дозу, а рентгены - это отношение заряда к массе воздуха. В них измеряется экспозиционная доза, которая сейчас считается устаревшей величиной. Однако рентген численно сопоставим с радом.
4 Зиверты [Зв] и бэры [бэр]. Эквивалентная и эффективная дозы
В предыдущем разделе мы выяснили, что поглощённая доза — это отношение энергии ионизирующего излучения к массе вещества. Измеряется она в греях или радах (устар.). Также мы знаем, что это самое ионизирующее излучение бывает разных видов: альфа-, бета-, фотонное (гамма- и рентгеновское), нейтронное и т д. И тут возникает один интересный вопрос: а будет ли излучение разной природы, но обладающее одинаковой энергией по-разному влиять на организм? Выяснилось, что да.
Ещё со школы мы знаем, что если от альфа-частиц можно защититься листом бумаги (однако при попадании внутрь они смертельно опасны!) или небольшим расстоянием, то от гамма-излучения не спасёт и толстый слой свинца. Так о каком одинаковом влиянии на организм может идти речь?
Именно поэтому в обиход было введено понятие эквивалентной дозы, измеряемой, как Вы уже догадались, в зивертах и бэрах (бэр- биологический эквивалент рада (до 1954г - рентгена)). Как раз её значение и можно увидеть на табло большинства бытовых измерительных приборов.
Эквивалентная доза — это, в сущности, та же поглощённая доза, только рассчитанная для конкретного вида излучения. Измерить её невозможно, зато легко рассчитать из значения поглощённой дозы, умножив его на некий коэффициент «вредности»(W), который для каждого вида излучения свой. Например, для рентгеновского излучения он равен 1, для быстрых нейтронов W = 10, а для альфа-частиц W = 20, поскольку если листа бумаги рядом не нашлось, и человек их, например, вдохнул или проглотил, то это крайне опасно. Рассчитать эквивалентную дозу предельно просто:
H = W*D,
где H - эквивалентная доза, D - поглощённая доза, W - тот самый коэффициент «вредности», называемый взвешивающим коэффициентом. Не хотелось в статье приводить формулы, но эта, вроде, не сложная.
Поскольку W — это величина безразмерная, то зиверты и бэры по физическому смыслу — те же Дж/кг, что и греи. Только бэр в сто раз меньше зиверта. 1 Зв = 100 бэр.
Для лучшего усвоения рассмотрим пример: если поглощённая доза составила 1 рад и мы знаем, что это были быстрые нейтроны, то эквивалентная доза составит: 1 рад * 10 = 10 бэр = 0,1 Зв или 100 мЗв, что довольно много.
Помимо эквивалентной, существует ещё и эффективная доза. Измеряется она во всё тех же зивертах и бэрах, так как переход к ней также осуществляется через безразмерные коэффициенты. Если эквивалентная доза учитывает вред для человека разных типов излучения, то эффективная доза учитывает вред от излучения для каждого конкретного органа. Эффективная доза — это сумма эквивалентных доз во всех органах и тканях, умноженных на взвешивающие коэффициенты для этих органов. Звучит мудрёно, но на деле всё просто: берём эквивалентную дозу (H) и умножаем на взвешивающий коэффициент для органа (Wт).
Таким образом получаем эффективную дозу (E) для конкретного органа. Если хотим узнать эффективную дозу для нескольких органов — суммируем полученные значения. Суммарное значение всех Wт для организма в целом равно 1, следовательно, эффективная доза в случае равномерного облучения всего организма будет равна эквивалентной. Значения взвешивающих коэффициентов для расчёта эффективной дозы периодически обновляются по ходу развития биологии и медицины. Вот некоторые данные значений Wт по версии на 1990 год для различных органов:
половые железы — 0,20; красный костный мозг, лёгкие, толстый кишечник, желудок — 0,12; мочевой пузырь, молочные железы, печень, пищевод, щитовидка — 0,05; кожа и поверхность костей — 0,01; всё остальное — 0,05. В сумме должна получиться единица. Если у Вас есть бытовой «дозиметр» — можете поиграться, но вообще эффективную дозу обычно рассчитывают врачи, чтобы понять, всё плохо или совсем плохо — короче говоря, оценивают риски развития острой лучевой болезни.
5 Заветные Зв/ч, мкр/ч и т д. Мощность дозы
Как утверждалось в самом начале статьи, такие единицы измерения, как мЗв/ч (миллизиверт/часы), рад/ч или даже мкр/ч (микрорентген в час) некорректно называть дозой. Это так называемая мощность дозы - производная дозы по времени. Но что нам это даёт и как вычислить полученную дозу, исходя из этих значений? Очень просто — нужно всего лишь умножить значение, выдаваемое прибором, на количество времени, проведённого на месте измерения.
Например, если вы видите значение в 20мкР/ч и собираетесь провести или уже провели в этом месте 2 часа, то это значит, что экспозиционная доза составит 20*2 = 40 микрорентген, что примерно соответствует 40 микрорадам поглощённой дозы. Если Вы уверены, что в данной местности Вы подвергались воздействию исключительно рентгеновского или гамма-излучения, то смело можете считать, что это 40 мкбэр, поскольку коэффициент перехода равен единице. 40 бэр — это 0,4 мкЗв или 0,0004 мЗв, что вполне безопасно.
Минусом измерения мощности дозы является то, что радиационный фон может меняться со временем, что, естественно, приведёт к большим неточностям при вычислении накопленной дозы.
Поэтому если Вы планируете длительное время находиться рядом с потенциальными источниками радиации да ещё и её уровень будет постоянно меняться (например, Вы планируете перемещаться от одного объекта к другому), лучше использовать настоящий дозиметр, который измеряет суммарную дозу за всё время, а не её мощность в текущий момент.
Ну вот как-то так!) Надеюсь, статья была достаточно интересной, подробной и доступной. Если это не так, смело делитесь мнением в комментариях, стало ли от её прочтения легче ориентироваться в единицах измерения ионизирующего излучения или материал наоборот Вас только запутал? Если остались вопросы, с радостью на них отвечу. В любом случае, всего доброго и до встречи на канале Redlynx!