Экспозициялық эквиваленттік дозалардың түсініктері. Радиоактивті көздердің белсенділіктері мен сәулелену дозаларының байланыстары

Экспозициялық эквиваленттік дозалардың түсініктері.

Радиоактивті көздердің белсенділіктері мен сәулелену дозаларының байланыстары

Радиоактивті сәулелерді адам ағзасының сезім мүшелері қабылдамайды. Бұл иондаушы сәулелерді – арнайы приборлардың және жұмыс істеу принципі сәуленің затпен әрекеттесуі кезінде пайда болатын физико-химиялық эффектілерге негізделген детекторлардың көмегімен анықтауға болады.  
 
Белгілі бір материалдармен иондаушы сәлелер энергиясының жұтылуын және шашырауын өлшеу – Дозиметрия (грек тілінен аударғанда dosis – доза, порция + metro - өлшеу) деп аталады. Сәулелену дозасы түскен сәуленің энергиясына және түріне, сол сияқты сіңіруші материалдың табиғатына қатаң түрде тәуелді болады.  
 
Сәуле дозасы және оның өлшем бірліктері 
 
Рентгендік және ядролық сәулердің ағзаға биологиялық әсері биологиялық орта атомдары мен молекулаларының иондалуына және қозуына негізделген. Иондау процессіне сәуле өз энергиясын жұмсайды. Сәуленің биологиялық ортамен әрекеттесуі нәтижесінде энергияның белгілі бір мөлшері тірі ағзаға беріледі. Ағзаға келіп түскен сәуленің бір бөлігі сәулеленетін объектімен сіңірілмей өтіп кетеді және оған ешқандай әсерін тигізбейді. Сондықтан сәуленің ағзаға әсерін сипаттайтын негізгі физикалық шама, затпен сіңірілген энергия мөлшеріне тікелей тәуелді болады. Сіңірілген энергияның мөлшерін өлшеу үшін сәуле дозасы деген ұғым енгізілген.  
 
Сәуле дозасы – бұл сәулеленетін заттың көлем (масса) бірлігінде сіңірілген энергия шамасы. Затқа, соның ішінде биологиялық клеткаларға иондаушы сәуле әсерін сандық жағынан бағалау үшін «сіңірілген доза» деген ұғым енгізіледі. 
 
Сіңірілген доза (Dсіңір.) Е:Dm болатын кез-келген затқа берілген қандай да бір иондаушы сәуленің орташа энергиясы D– массасы  
 
Dсіңір.  
 
Сіңірілген дозаның өлшем бірлігі Джоуль/килограмм (Дж/кг). СИ жүйесінде грей (Гр) өлшемімен өлшенеді. Оның туындылары: 
 
Тетрагрей 1 ТГр = 1012 Дж/кг 
 
Гигагрей 1 ГГр = 109 Дж/кг 
 
Мегагрей 1 МГр = 106 Дж/кг 
 
Килогрей 1 кГр = 103 Дж/кг 
 
Милигрей 1 мГр = 10-3 Дж/кг 
 
Микрогрей 1 мкГр = 10-6 Дж/кг 
 
Сіңірілген энергия ортаны иондауға жұмсалатындықтан, оны өлшеу үшін сәулелену кезінде түзілетін иондар жұптарының санын есептеу қажет. Осыған байланысты объектіге әсер ететін рентген және гамма-сәулелерін сандық жағынан сипаттау үшін экспозициялық дозаны анықтайды. Ол ауадағы рентген және гамма- сәулелерінің иондау қабілетін сипаттайды.  
 
Экспозициялық доза (Dэксп.) Q:Dm болатын ауа көлемінде, элемент құрамында болатын фотондар арқылы босатылған позитрондардың және электрондардың толық тежелуі кезінде ауада түзілетін таңбасы бірдей иондардың толық зарядтарының абсолютті шамасы D– массасы  
 
Dэксп.  
 
 
Экспозициялық дозаның өлшем бірлігі ретінде Халықаралық бірліктер жүйесі (СИ) бойынша кулон/килограмм (Кл/кг) қабылданған. Тәжірибе кезінде СИ жүйесінен тыс бірлік Рентген (1Р = 2,58.10-4 Кл/кг) өлшемімен өлшенеді. 
 
Ауадағы электрондардың тепе-теңдік жағдайы кезінде экспозициялық доза сіңірілген дозаға келесі теңдік бойынша ауысуы мүмкін: 
 
Dсіңір. = 0,88 . Dэксп. ; (Рад / Р) 
 
Мұндағы, Dсіңір. – Радпен, ал Dэксп. - Рентгенмен өлшенген; 
 
0,88 – пропорционалдық коэффициенті.  
 
Эквивалентті доза (Dэкв.) – белгілі бір сәуле түрлерінің биологиялық ұлпаларға сіңірілген дозаларын Dі, осы сәуле түрлерінің сапалық коэффициенттерінің мәніне ККі көбейтінділерінің қосындысына тең: 
 
 
Dэкв. =   
 
 
Эквивалентті дозаның арнайы өлшем бірлігі - Бэр. 
 
Сапалық коэффициенті ККі – ағзаны сәулелейтін белгілі бір иондаушы сәуленің биологиялық әсерінің, осы сәуле түрінің энергиясына тәуелділігін анықтайтын шама. 
 
Биологиялық көз қарас бойынша сәулеленетін объект алатын жай сәулелену дозасын ғана емес, сонымен қатар уақыт бірлігінде алатын дозаны білу маңызды. Осыған байланысты дозаның қуатытылығы деген түсінік енгізілген.  
 
Доза қуаттылығы (Р) – бұл t - уақыт бірлігіндегі сәулелену дозасы D: 
 
 
 
 
 
Доза қуаттылығы үлкен болған сайын сәулелену дозасы D тез өседі. Доза қуаттылығы деген түсінік экспозициялық дозаға, сол сияқты сіңірілген дозаға да қатысты айтылады. Экспозициялық доза қуаттылығын өлшеу үшін СИ жүйесі бойынша ампер/килограмм (А/кг), ал Си жүйесінен тыс – рентген/ сағат (Р/сағ.) немесе рентген/минут (Р/мин.) бірліктері қолданылады. Сіңірілген доза қуаттылығының өлшем бірлігі ретінде СИ жүйесі бойынша ватт/килограмм (Вт/кг), ал Си жүйесінен тыс – рад/сағат (рад/ сағ.), рад/минут (рад/мин.) қолданылады. 
 
Иондаушы сәулелерді анықтауға және тіркеуге арналған аппараттар 
 
Дозиметриялық аппараттар тұрғылықты жердің радиациялық деңгейін анықтауға арналған. Иондаушы (радиоактивті) сәулелердің (нейтрондар, гамма-сәулелер, бета – және альфа-бөлшектер) байқалу себебі, осы сәлелердің өздері тарлаған ортадағы заттарды иондау қабілетіне негізделген. Иондалу заттардағы байқауға және өлшеуге болатын физикалық және химиялық өзгерістердің себебі болып табылады.  
 
Ортаның мұндай өзгерістеріне: заттардың (газдардың, сұйықтардың, қатты материалдардың) электр өткізгіштігінің өзгеруі, кейбір заттардың люменесценциялануы (жарқырауы), түсінің өзгеруі, кейбір химиялық ерітінділердің электр тоғына кернеулілігі өзгерісі жатады.  
 
Сәуленің затпен әрекеттесу әсерін тәжірибе жүзінде тікелей өлшейтін сәуленудің ионизациялық детекторлары көп қолданылады. Оларға ионизациялық камералар, пропорционалды және Гейгер-Мюллер санағыштары жатады. Басқа детекторларда иондалу негізінде болатын екіншілік эффектілерді: фотографиялық, сцинтилляциялық (люминесценттік), химиялық, колориметриялық және т.б. өлшеу қарастырылған  
 
Колориметриялық детекторлар негізінен иондаушы сәулелердің күшті ағынын және үлкен дозасын өлшеу үшін қолданылады. 
 
Сәулеленің ионизациялық детекторлары ауамен немесе газбен толтырылған герметикалық камераларда сәйкес электр тоғын тудыру үшін орналастырылған электрлік конденсаторлар түрінде болады

 
 
1 сурет - Сәуленің ионизациялық детекторларының жұмыс істеу схемасы 
 
1- ауамен немесе газбен толтырылған камера; 
 
2 – анод; 3 – катод; 4 – изолятор;  
 
5 – ионизационды тоқты өлшеуге арналған құрылғы; 
 
6 – қоректендіру көзі. 
 
 
- бөлшектер), ондағы газды ортаның тікелей біріншілік иондануын тудырады. Гамма – кванттары, алдымен детектор қабырғаларымен соқтығысып, жылдам электрондарды (фотоэлектрондар, комптонды электрондар және электронды – позитронды жұптар) түзеді. Содан кейін олар камерадағы газды ортаны иондайды. Құрғақ газ (ауа) – жақсы электроизолятор болып табылады, себебі оның электрлік бейтарап молекулалары электр зарядтарын араластырмайды. Бұл жағдай газды ортаға зарядталған бөлшектер түскен кезде өзгеріске ұшырайды. Олар ион жұптарын түзеді және газ (ауа) - электр тоғын өткізетін қасиетке ие болады. Электродтарға кернеулілік берілмеген жағдайда бастапқы иондану нәтижесінде түзілген барлық иондар толығымен бейтарап молекулаларға ауысады (рекомбинацияланады). Кернеулілік артқан кезде электр өрісі әсерінен иондар бағытталған қозғалысқа ие болады: «+» - иондар катодқа жинақталады, ал электрондар – анодқа жинақталады. Тізбекте ионизациялық тоқ пайда болады. Ол 5-суреттегі 5 – ші құрылғының көмегімен тіркеледі. Ионданған тоқ күші сәулелену мөлшерінің шамасы болып табылады.b- немесе aДетектор камерасына келіп түсетін зарядталған бөлшектер ( 
 
Гейгер – Мюллер санағыштары – бұл газды зарядтаушы санағыштар. Гейгер санағыштарының ішкі көлемі төменгі қысымдағы (15 – 75 гПа) инертті газдармен толтырылған

 
 
 
2 сурет – Газды зарядтаушы санағыштарының құрылғысының 
 
сызба-нұсқасы 
 
а) гамма – сәулелерін тіркеуге арналған қабырғасы шыны  
 
цилиндрлі санағыштар;  
 
б) қатаң бета-сәулелерін тіркеуге арналған қабырғасы  
 
металл цилиндрлі санағыштар; 
 
в) торциялық санағыш: 1- шынылы балон; 2 – анод  
 
(вольфрам жібі); 3 – катод (металл цилиндр); 4 – шығару  
 
қалпақтары;  
 
5 – шынылы моншақ; 6 – жұқа слюдалы терезе. 
 
Санағышқа ядролық бөлшек келіп түскен кезде газды ортаның біріншілік иондалуы болады. Түзілген «+» - иондар катодқа (санағыш қабырғаларына), ал электрондар анодқа (вольфрам жібіне) қарай қозғалады. Катод бетімен салыстырғанда, анодтың ауданы кіші болғандықтан, вольфрам жібінің маңайында әсер ететін күштер сызығының тығыздығы үлкен болады. Сондықтан бұл жердегі электр өрісінің кернеулігі Гейгер аймағының шамасына жетеді. Электродтар арасындағы потенциалдар айрымының улкен болуы салдарынан және санағыштағы төменгі қысым әсерінен электрондар екіншілік иондануды тудырады. Олар белгілі үдеумен катодқа қарай қозғала отырып, санағыш қабырғасымен соқтығысу нәтижесінде көп мөлшердегі электрондарды бөліп шығарады. Сонымен қатар, газды ортаның атомдары мен молекулалары жылдам қозғалатын иондармен соқтығысу нәтижесінде, ультракүлгін сәулерді шығара отырып қозған күйге көшеді, яғни газды ортаны иондайды.  
 
Егер осы екіншілік иондану кезінде санағышқа келесі ядролық бөлшек келіп түсетін болса, онда оны санағыш құрылғы тіркемейді, себебі оның иондану дәрежесі ешқандай өзгеріс әкелмейді. Сондықтан екінші ядролық бөлшекті байқау үшін алдымен санағыштағы иондалу процесін тоқтату қажет. Ол үшін санағышқа біраз мөлшерде сөндіргіш газ енгізіледі. Көп жағдайларда сөндіргіш газ ретінде көп атомды спирттер: 90% аргон және 10% спирт жұбтары қолданылады. 
 
Сәулеленуді тіркеудің химиялық әдістеріне негізделген детекторлар – сәулелену әсерінен туындайтын химиялық өзгерістерді бақылауға негізделген. Мысалы, ерітінділер немесе кристалдар түстерінің өзгеруі, газдардың бөлінуі, кейбір коллоидтардың тұнбалануы. Осы өзгерістер дәрежесі сіңірілген энергия дәрежесіне пропорционалды болады. Бұлардың арасында Ферросульфатты детектор көп тараған. Ол Fe2+ темір ионының сәулелену әсерінен тотығуына негізделген. Иондаушы сәулеленің 100 эВ энергиясы сіңірілген кезде, 15,6 Fe3+ - иондары түзіледі. Түзілген темір Fe3+ -иондарының концентрациясын (моль/л) спектрометр көмегімен анықтайды. 
 
Сонымен қатар көп жағдайларда церий детекторлары қолданылады. Сe4+ - иондарының концентрацияларын спектрометрлік немесе титрлеу әдістері арқылы анықтайды. Сәулелену әсерінен газдардың молекулалық құрамдары өзгереді. Бұл құбылысты газды детекторларда қолданады.  
 
Иондаушы сәулелерді тіркеуге және өлшеуге арналған аппараттарды шартты түрде үш топқа бөледі: радиометрлер, дозиметрлер және спектрометрлер. 
 
Радиометрлер – радиоактивті заттардың активтілігін, иондаушы сәуле шоғырларының тығыздығын, сонымен қатар газдардың, сұйықтардың, аэрозольдардың көлемдік және меншікті активтіліктерін өлшеуге арналған. Конструкциялары және жүйелері әр түрлі радиометрлер шығарылады. Олардың арасында екі негізгі топты бөліп көрсетуге болады, олар стационарлы және жылжымалы.

Дозиметрлер – рентген және гамма-сәулелерінің экспозициялық дозаларын, сәулеленудің сіңірілген дозасын, экспозициялық дозаның қуатын және сәулелену қарқандылығын өлшеуге арналған (3-сурет). Дозиметрлер негізгі үш бөліктен тұрады: детектор; иондаушы тоқты күшейткіш, радиотехникалық жүйе және тіркеуші (өлшегіш) құрылғы. Дозиметрлердегі сәулелену детекторлары ретінде иондаушы камералар, газ-иондаушы және сцинтилляциялық санағыштар болуы мүмкін.

Радиоактивті заттар ағзаға ластанған ауамен дем алған кезде өкпе арқылы; радиоактивті заттармен ластанған болатын сулар және тағам өнімдерімен ас қортыту жолдары; тері қабаты арқылы түсуі мүмкін. Радионуклидтердің ағзаға таралуы элементтің негізгі химиялық қасиетіне, енген қосылыстың формасына, түсу жолдарына және ағзаның физиологиялық күйіне тәуелді болады. Радиоактивті аэрозольдардың өту дәрежесі және оның өкпеде жинақталуы - бөлшектердің зарядына және олардың өлшеміне тәуелді. Газ тәрізді радиоактивті заттар өкпенің бетінен қанға тез сіңіріледі және барлық ағзаға таралады. Нашар еритін қосылыстар өкпеден баяу шығарылады. Өкпеге тритий оксиді, сілтілік және сілтілік-жер элементтердің ерігіш қосылыстары өте тез, ал Pu, Am, Ce, Cm және басқа да ауыр металдар баяу сіңіріледі. Радионуклидтер ас қорту жолдарында, сіңірілу жылдамдығына байланысты мынандай қатарға орналастырылады: 131I > 137Cs > 45Ca > 89,90Sr > 65Zr > 60Co > 59Fe > 54Mn > 140Ba > 106Ru >95Zr > 144Ce > 90Y > 239Pu. 
 
Галогендер, сілтілік және сілтілік-жер элементтер максималды мөлшерде (5 – 100%), ал ауыр және сирекжер элементтер өте аз мөлшерде сіңіріледі. Радионуклидтер таңдап концентрацияланатын және соның салдарынан сәулеленуге немесе бүлінуге ұшырайтын орган, критикалық орган деп аталады. Радионуклидтердің ерімейтін қосылыстары үшін өкпе, ас қорыту жолдары және тері - критикалық мүшелер болып табылады. Мысалы, йод үшін – қалқанша бездері, ал стронций, кальций және радий үшін – сүйек критикалық мүшелер болып табылады. 
 
Радионуклидтердің ағзада жинақталуы изотоптардың физико-химиялық қасиеттеріне, жануарлардың жасына, түріне, физиологиялық күйіне және мүшенің түріне байланысты. Радионуклидтердің жинақталуын бағалау үшін, абсолютті бірліктермен (Бк немесе Кu) өрнектелген, белгілі бір радионуклидтердің мөлшері немесе жалпы активтілігі сияқты сандық ұғымдар қолданылады