Единицы измерения концентрации радиоактивных веществ

Единицы измерения концентрации радиоактивных веществ

Явление радиоактивности  было открыто в 1896 году французским  ученым Анри Беккерелем, В настоящее время оно широко используется в науке, технике, медицине, промышленности. Радиоактивные элементы естественного происхождения присутствуют повсюду в окружающей человека среде. В больших объемах образуются искусственные радионуклиды, главным образом в качестве побочного продукта на предприятиях оборонной промышленности и атомной энергетики. Попадая в окружающую среду они оказывают воздействия на живые организмы, в чем и заключается их опасность. Для правильной оценки этой опасности необходимо четкое представление о масштабах загрязнения окружающей среды, о выгодах, которые приносят производства, основным или побочным продуктом которых являются радионуклиды, и потерях, связанных с отказом от этих производств, о реальных механизмах действия радиации, последствиях и существующих мерах защиты.

В массовом сознании населения доминирует настороженное  отношение к производствам, деятельность которых приводит к образованию  радиоактивных изотопов и в первую очередь к предприятиям ядерного цикла. Этому способствуют как объективные (крупные аварии), так и субъективные (некомпетентность, искаженная картина в средствах массовой информации) факторы. При этом не принимаются во внимание два обстоятельства.

Первое - это необходимость  сравнительного подхода. Например, ценой  за использование автомобиля являются десятки тысяч людей, ежегодно погибающих в авариях, еще большее количество получает травмы. Происходит загрязнение окружающей среды выхлопными газами автомобилей, особенно в густонаселенных городах. И это далеко не полный перечень негативных последствий от использования автомобильного транспорта.

Второе обстоятельство — это экономическая и технологическая  необходимость использования атомной энергии в современном мире.

Привлекательность использования АЭС связана с  ограниченностью и постоянным ростом стоимости энергоносителей для  тепловых электростанций, меньшими радиоактивными и значительно более низкими  химическими загрязнениями окружающей среды, гораздо меньшими объемами транспортных перевозок у предприятий ядерного цикла, отнесенными к единице производимой в конечном счете электроэнергии, по сравнению с аналогичными показателями для предприятий топливного цикла.

Альтернативы использованию  АЭС в глобальной экономике в  настоящее время нет, а в обозримом  будущем она может появиться  только со стороны термоядерных установок.

Первая в мире опытно-промышленная АЭС мощностью  в 5 МВт была пущена в СССР 27 июня 1954 г. в г. Обнинске. В последующий  период производство электроэнергии на АЭС быстро росло и в настоящее  время в развитых странах они  превратились в основного поставщика электроэнергии.

Работа предприятий  ядерного цикла в режиме нормальной эксплуатации не наносит человеку сколько-нибудь заметного вреда и значительно безопаснее последствий других видов деятельности. Аварии на АЭС значительно увеличивают экологическую угрозу, но не в большей степени, чем аварии на крупных химических производствах, бесконтрольное использование пестицидов и минеральных удобрений, аварии на транспорте и т.д.

Следует также иметь  в виду, что радиация, связанная  с нормальным развитием ядерной  энергетики, составляет лишь малую  долю радиации, порождаемой деятельностью  человека. Значительно большие дозы мы получаем от других источников, вызывающих меньше нареканий. Применение рентгеновских лучей в медицине, сжигание угля, использование воздушного транспорта, пребывание в хорошо герметизированных помещениях могут привести к значительному увеличению уровня облучения.

Отметим, что и  зарождение жизни на Земле и ее последующая эволюция протекали  в условиях постоянного воздействия радиации.

Хорошее знание свойств  радиации и ее воздействия позволяет свести к минимуму связанный с ее использованием риск и по достоинству оценить те огромные блага, которые приносит человеку применение достижений ядерной физики в различных сферах.

В октябре I960 г. в  Париже Генеральная конференция  по мерам и весам приняла Международную систему единиц, сокращенно обозначаемую SI (Systeme International), в русском варианте СИ (Система интернациональная). Она была введена в СССР с 1 января 1963 г. в качестве государственного стандарта (ГОСТ). 
В соответствии с Международной системой единиц с 1 июля 1964 г. в СССР введены единицы измерения в области радиоактивности и ионизирующего излучения, которые должны применяться во всех областях науки и техники. До 1980 г. ГОСТ допускал применение внесистемных единиц. В научно-технической литературе эти единицы встречаются до сих пор, поэтому необходимо знать и те и другие, а также соотношения между ними. 
Количество радиоактивного вещества измеряется не только единицами массы (грамм, миллиграмм и т. п.), но и активностью, которая равна числу ядерных превращении (распадов) в единицу времени. Чем больше ядерных превращений испытывают атомы данного вещества в секунду, тем больше его активность. Поскольку скорость распада радионуклидов различна, одинаковое весовое количество радиоактивных изотопов имеет разную активность. 
Единицей активности в СИ служит распад в секунду (расп/с). Этой единице присвоено наименование беккерель — Бк (Bq), 1 Бк = 1 расп/с.

Наиболее употребительной  внесистемной международной единицей является кюри – Ки (Си), 1 Ки = 3,7- 10′° Бк, что соответствует активности 1 г радия. Массы радионуклидов, соответствующие  единице активности, обратно пропорциональны скорости их распада. Кюри очень большая величина, поэтому обычно употребляют дольные единицы: пикокюри, 1 пКи = 1 • 1012 Ки = 3,7 • 10″2 Бк, нанокюри, 1 нКи = 1 • 10″‘ Ки = 3,7-101 Бк, микрокюри, 1 мкКи = 1 • 10■* Ки = 3,7 • 10″ Бк, милликюри, 1 мКи = 1 • 10″‘ Ки = 3,7 • 10′ Бк, килокюри, 1 кКи = 1 • 103 Ки = 3,7 • 101! Бк, мсгакюри, 1 МКи = 1 • 10й Ки – 3,7 ■ 10″ Бк. Беккерель, напротив, очень маленькая величина, поэтому часто употребляют кратные единицы. килобеккерель , 1 кБк   = 10′ Бк, мсгабеккерель, 1 МБк = 10″ Бк, гигабеккерель, 1 ГБк   = 10′ Бк, терабеккерель, 1 ТБк  = 1012 Бк, петабеккерель, 1 ПБк   = 1015 Бк, эксабеккерель,  1 ЭБк  = 10″ Бк. Для пересчета числовых значений активности, выраженных в бекке-релях, в кюри и наоборот, используют специальные коэффициенты.

В 1946 г. американские ученые Э. Кондон и Л. Куртис предложили новую единицу активности — резерфорд, 1Рд = 106 расп/с. Несмотря на удобство этой единицы при расчетах, она не была признана международной и в литературе встречается редко.

Концентрация радиоактивного вещества обычно характеризуется величиной  удельной активности, т. е. активностью, приходящейся на единицу массы. Единицами концентрации являются Ки/т, мКи/г, кБк/кт и т. п. Объемная концентрация в жидких или газообразных веществах обычно выражается в Ки/м3, Бк/л (см3, мл и т. д.).

Встречаются и менее  известные и редко используемые в настоящее время внесистемные единицы эман и махе: 
1 эман = 1 • 10 10 Ки/л воздуха или воды = = 3,7 Бк/л, 
1 махе = 3,64 эман = 3,64- 10 -»> Ки/л = = 13,47 Бк/л, 
1 эман = 0,275 махе. 
Для характеристики радиоактивного загрязнения территории используют основные единицы активности, отнесенные к единице площади: Ки/км2 или Бк/м2, 
1 Ки/км2 = 3,7- 10″ Бк/м2. 
Этими единицами измеряют плотность радиоактивного загрязнения. 
Для количественной характеристики содержания стронция-90 в различных биологических объектах иногда применяется стронциевая единица. Стронций является химическим аналогом кальция, поэтому при расчетах удобно пользоваться величиной, характеризующей отношение стронция-90 к кальцию в исследуемом биологическом объекте (почве, растительности, пищевых продуктах, костной ткани и т. д.). Одна стронциевая единица (с. е.) соответствует концентрации 1 пКи (37 мБк) стронция-90 на 1 г кальция. Аналогично для количественной характеристики цезия-137, являющегося химическим аналогом калия, употребляется цезиевая единица. Одна цезиевая единица (ц. е.) соответствует концентрации 1 пКи (37 мБк) цезия-137 на 1 г калия. В литературе иногда упоминается тритиевая единица (т. е.), 1 т. е. = 3,26 пКи/л (120,6 мБк/л).

Стронциевая единица, цезиевая единица и тритиевая  единица также не предусмотрены Международной системой единиц. 
Важнейшее свойство ядерного излучения — его способность вызывать ионизацию атомов и молекул, в связи с чем его называют ионизирующим излучением. Биологическое действие ионизирующего излучения на организм обусловлено ионизацией и возбуждением атомов и молекул биологической среды. В результате взаимодействия излучения с биологической средой живому организму передается определенная величина энергии. Часть поступающего излучения, которая пронизывает облучаемый объект (без поглощения), не оказывает на него действия. 
Повреждений, вызванных в живом организме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям. Для характеристики этого показателя используется понятие поглощенной дозы, т. е. величины энергии, поглощенной единицей массы (объема) облучаемого вещества. 
Организм может получить дозу от любого источника ионизирующего излучения независимо от того, находится ли он вне организма (внешнее облучение) или внутри него в результате попадания с пищей, водой или воздухом (внутреннее облучение). Расчет дозы зависит от размера облученного участка и его расположения в организме, количества организмов, подвергшихся облучению, продолжительности облучения. 
Поскольку поглощенная энергия расходуется на ионизацию атомов и молекул, составляющих вещество, для ее измерения необходимо подсчитать число пар ионов, образующихся при облучении. Однако измерить ионизацию непосредственно в глубине тканей живого организма очень трудно. В связи с этим для количественной характеристики рентгеновского и гамма-излучения, действующего на объект, определяют т. н. экспозиционную дозу, которая характеризует ионизационную способность рентгеновского и гамма-излучения в воздухе. Зная величину экспозиционной дозы, можно с помощью соответствующих коэффициентов рассчитать значение поглощенной дозы. Экспозиционную дозу определяют по ионизирующему действию излучения в определенной массе воздуха и только если энергия рентгеновского и гамма-излучения находится в диапазоне от десятков кэВ до 3 МэВ.

За единицу экспозиционной дозы в Международной системе  единиц принят кулон на килограмм — Кл/кг (C/kg), т. е. такая экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излучения, при которой сопряженная корпускулярная эмиссия в килограмме сухого воздуха производит ионы, несущие заряд в один кулон электричества каждого знака. На практике часто применяется принятая в 1928 г. внесистемная единица рентген – P(R), 1 Р = 2,58 • 10-4 Кл/кг. Рентген -это поглощенная энергия (0,114 эрг/см3), которая в 1 см3 воздуха при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт.ст. приводит к образованию 2,08 • 109 пар ионов, несущих суммарный заряд в 1 электростатическую единицу электричества каждого знака. При дозе ионизирующего излучения в воздухе, равной 1 Р, поглощенная энергия в воздухе в расчете на 1 г составляет 88 эрг, а в мягких тканях в расчете на 1 г 92—97 эрг. 
В начале 1950-х гг. стало очевидно, что единица рентген не может обеспечить решение всех метрологических и практических задач радиологии и необходима универсальная (для всех видов ионизирующего излучения) единица для определения физического эффекта облучения в любой среде, в части, в биологических тканях. Такой единицей стал рад — внесистемная международная единица поглощенной дозы. 
Единица рад (англ. rad — radiation absorbed dose) — поглощенная доза любого вида ионизирующего излучения, при которой в 1 г массы вещества поглощается энергия излучения, равная 100 эрг, 1 рад = 100 эрг/г = = Ю-2 Дж/кг. 
За единицу поглощенной дозы в Международной системе единиц принят джоуль на килограмм (Дж/кг), т. е. такая поглощенная доза, при которой в 1 кг массы облученного вещества поглощается 1 Дж энергии излучения. Этой единице присвоено наименование грей — Гр (Gy), 1 Гр = 1 Дж/кг = = 100 рад.

В лучевой терапии  часто используют понятие интегральной дозы, т. е. энергии, суммарно поглощенной  во всем объеме объекта. Интегральная доза измеряется в джоулях, 1 Гр •  кг = 1 Дж. Но эта величина не учитывает  того, что биологические эффекты  при облучении живых организмов зависят не только от дозы, но и от качества излучения, которое определяется линейной плотностью ионизации (линейная передача энергии — ЛПЭ). Чем выше плотность ионизации, тем больше степень биологического повреждения. Для учета этого явления был введен коэффициент качества к. Для рентгеновского, бета- и гамма-излучения к = 1. Для альфа-излучения к = 20, для нейтронного излучения к = 10. Доза, учитывающая биологическую эффективность ионизирующего излучения, называется эквивалентной поглощенной дозой и равна поглощенной дозе, умноженной на соответствующий коэффициент качества. 
Внесистемной единицей эквивалентной дозы является бэр (rem) — биологический эквивалент рентгена, 1 бэр = 1 • 10″г Дж/кг. В СИ единица эквивалентной дозы — зи-верт – Зв (Sv), 1 Зв = 100 бэр. 
Из определения следует, что при к = 1 эквивалентная доза, равная 1 Зв, реализуется при поглощенной дозе 1 Гр. Если к ф 1, эквивалентная доза 1 Зв создается при поглощенной дозе, равной 1 ГрД. 
Как Правило, эквивалентную дозу используют только для целей радиационной безопасности до значений, не превышающих 0,25 Зв (25 бэр), при кратковременном воздействии излучения на биологический объект. 
Следует учитывать также, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны к излучению, чем другие. Напр., при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака легких более вероятно, чем рака щитовидной железы, а облучение половых желез особенно опасно вследствие риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует рассчитывать с разными коэффициентами (0,12 — для красного костного мозга; 0,03 — для костной ткани; 0,03 — для щитовидной железы; 0,15 — для молочной железы; 0,12 — для легких; 0,25 — для яичников; 0,30 — для других тканей). 
Умножив эквивалентные дозы всех органов и тканей на соответствующие коэффициенты и просуммировав их, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма, которая также измеряется в зи-вертах.

Приведенные выше понятия описывают дозу, получаемую человеком индивидуально. Просуммировав  индивидуальные эффективные эквивалентные  дозы для данной группы людей за данный промежуток времени, придем к понятию коллективной (популяционной) эффективной эквивалентной дозы, которая измеряется в человеко-зивер-тах (чел-Зв). Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получат многие поколения людей от какого-либо радиоактивного источника за все время его действия, называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой. 
Такая иерархия на первый взгляд может показаться слишком сложной, однако она представляет собой логически последовательную систему и позволяет рассчитывать согласующиеся или сопоставимые друг с другом дозы ионизирующего излучения. 
В биологическом отношении важно знать не просто дозу ионизирующего излучения, которую получил облучаемый объект, а дозу, полученную в единицу времени. Чем больше мощность дозы, тем быстрее растет доза излучения.

Для экспозиционной дозы в СИ единица мощности дозы — ампер на килограмм (А/кг), внесистемная единица — рентген в час (Р/ч) или рентген в минуту (Р/мин) и ее производные, напр. микрорентген в час (мкР/ч), миллирентген в минуту (мР/мин). Для поглощенной дозы соответственно — грей в секунду (Гр/с), рад в секунду (рад/с), а для эквивалентной — зиверт в секунду (Зв/с), бэр в секунду (бэр/с).