Definicje pojęć i jednostki stosowane w radiometrii oraz dozymetrii

• Promieniotwórczość, radioaktywność: 1. zjawisko samorzutnej przemiany jądra atomowego, której towarzyszy emisja promieniowania jądrowego wywołana procesami rozpadu beta, alfa, wychwytu elektronu i spontanicznego rozszczepienia. 2. zdolność ciał do emisji promieniowania jądrowego.

• Promieniowanie przenikliwe: łączna nazwa dla promieniowania jonizującego i jądrowego promieniowania niejonizującego bezpośrednio (np.strumienie neutronów).

• Promieniowanie jonizujące: rodzaj promieniowania przenikliwego, strumień wysokoenergetycznych fotonów (promieniowanie gamma lub promieniowanie rentgenowskie) albo cząstek naładowanych (np. cząstek beta, cząstek alfa, protonów, jonów itp.).
  Cząstki promieniowania jonizującego oddziaływują elektromagnetycznie z atomami ośrodka, przez co przekazują część swojej energii elektronom ośrodka powodując jonizację.

• Jonizacja: zjawisko odrywania elektronów od atomu, w wyniku którego z obojętnego elektrycznie atomu powstaje naładowany dodatnio jon i swobodne elektrony.

• Dozymetria: dział fizyki jądrowej zajmujący się pomiarem i obliczaniem dawek promieniowania jonizacyjnego oraz aktywnością promieniotwórczą. Dozymetria stosowana jest m.in. w technice jądrowej i medycynie.

• Radiometria: dział metrologii zajmujący się pomiarami aktywności, mocy dawki i in. wielkości związanych z promieniowaniem przenikliwym. Radiometria bada i doskonali metody tych pomiarów, interesuje się również konstrukcją i rodzajami systemów detekcyjnych.

• Dawka: oznacza w dozymetrii głównie dawkę pochłoniętą promieniowania jonizującego. W przeszłości termin ten był rozumiany znacznie szerzej i obejmował wiele innych wielkości.

Tabela 1. Przedrostki przed jednostkami fizycznymi w układzie SI.
Więcej o nazwach liczb w odnośnikach metrologia (m.in. skąd się wzięła różnica w nazewnictwie amerykańskim i europejskim oraz podział liczb na klasy).

---

"Dozymetria obejmuje:

1. Ustalenie wielkości dawki pochłoniętej w materii w danym punkcie

2. Ustalenie wielkości energii przekazanej przez cząstki nie jonizujące bezpośrednio (fotony, neutrony) w materiale odniesienia w danym punkcie (np. pomiary ekspozycji lub kermy). Taka wielkość jest wygodnym uproszczonym sposobem opisu promieniowania w tym punkcie. Materiałem odniesienia (dla wyników) może być zarówno rzeczywisty materiał w danym miejscu lub jakiś inny (w tym charakterze używane są np. powietrze, grafit, tkanka)

3. Ustalenie liczby cząstek lub fotonów, lub ich energii, padających na dany punkt (np. strumień, strumień całkowy, natężenie, strumień całkowy energii)

4. Ustalenie wartości pewnej funkcji liczby lub energii cząstek lub fotonów padających na ośrodek w danym miejscu (np. iloczyn dawki pochłoniętej i współczynnika jakości promieniowania dla rodzajów promieniowania o różnym LET – liniowym przekazie energii)."

Tabela 2. Definicja jednostki energii promieniowania.

---

Stała rozpadu (ang. Decay constant), λ,jest jednym z parametrów charakteryzujących rozpad promieniotwórczy:

gdzie dP jest prawdopodobieństwem, że dane jądro rozpadnie się spontanicznie w przedziale czasu dt.

W przypadku kilku równoległych, niezależnych rodzajów rozpadu danego izotopu wynikowa stała rozpadu jest sumą stałych charakteryzujących poszczególne procesy oddzielnie.

Stała rozpadu ma wymiar czas^-1, (s^-1), świadczy o prawdopodobieństwie zajścia rozpadu jednego jądra w jednostce czasu (jest równa ułamkowi ogólnej liczby jąder, które podlegają rozpadowi w jednostce czasu).

Ze stałą rozpadu związany jest czas połowicznego zaniku (ang. half-life), τ_1/2:

Czas połowicznego zaniku (rozpadu) to średni czas po jakim aktywność (równoznacznie: ilość jąder) danego izotopu promieniotwórczego (radionuklidu) spadnie do połowy swej początkowej wartości.

Ze względów praktycznych często przyjmuje się, że całkowity rozpad danego radionuklidu następuje po czasie równym 5 czasom połowicznego zaniku (tj. gdy aktywność spadnie do poziomu 1/32 aktywności początkowej).

Czas połowicznego zaniku charakteryzuje dany izotop promieniotwórczy niezależnie od czynników zewnętrznych (np. temperatura, ciśnienie, postać chemiczna, stan skupienia itp.), oznaczany jest zazwyczaj τ_1/2.

 Jednostką czasu połowicznego rozpadu jest s^-1.

---

Jednostki promieniowania mogą określać:

1. źródło promieniowania, wówczas mówimy o aktywności źródła;
2. działanie promieniowania na otoczenie, wówczas mówimy o dawce promieniowania.

---

Ad. 1 Aktywność (A), (ang. Activity)  -  liczba spontanicznych przemian jądrowych zachodzących w źródle w jednostce czasu.

Aktywność A pewnej ilości nuklidu promieniotwórczego w określonym stanie energetycznym w danej chwili czasu, zdefiniowana jest jako iloraz dN i dt, gdzie dN oznacza wartość oczekiwaną liczby spontanicznych przemian jądrowych z tego stanu energetycznego, zachodzącego w ciągu czasu dt:
 

W układzie SI podstawową jednostką aktywności jest bekerel (Bq). Źródło ma aktywność jednego bekerela, jeżeli w ciągu jednej sekundy następuje w nim jeden rozpad promieniotwórczy.

1 Bq = 1 s^-1

Historyczną jednostką aktywności jest kiur (Ci). 1 Ci  stanowi aktywność 1g  ²²⁶Ra i odpowiada

1 Ci = 3,7·10¹⁰ Bq = 37 GBq

---

Pełne zrozumienie biologicznych efektów wysokoenergetycznego promieniowania elektromagnetycznego i korpuskularnego nie jest obecnie możliwe. Wobec tego opracowano system pomiaru ilości energii przekazywanej do obiektu oraz system oszacowania względnych uszkodzeń, jakie mogą nastąpić na skutek oddziaływania poszczególnych rodzajów promieniowania z materią.

Ad. 2 Dawki promieniowania jonizującego podzielono na 3 zasadnicze rodzaje:

1. dawkę ekspozycyjna,
2. dawkę pochłonięta,
3. równoważnik dawki.

Dwa pierwsze pojęcia wiążą się z fizycznym oddziaływaniem promieniowania z materią, trzecie uwzględnia również oddziaływanie na organizmy żywe.

Skutki działania promieniowania zależą nie tylko od dawki pochłoniętej, czy ekspozycyjnej, ale również i od czasu, w którym ta dawka została dostarczona, dlatego też ważne jest również pojęcie mocy dawki, które określa dawkę przypadającą na jednostkę czasu. Dla każdej z wyżej podanych 3 rodzajów dawek promieniowania możemy zdefiniować odpowiadającą im moc dawki w funkcji czasu.

---

Ad 2a. Dawka ekspozycyjna, ekspozycja (X), (ang. exposure dose) - suma ładunków elektrycznych jonów jednego znaku wytworzonych w jednostce masy suchego powietrza w warunkach normalnych wskutek jonizacji wywołanej promieniowaniem X lub γ (przenikliwe promieniowanie elektromagnetyczne). Dawka ekspozycyjna jest miarą zdolności jonizacji promieniowania przenikliwego w powietrzu.

Zatem jeżeli pod wpływem promieniowania X lub γ w elemencie objętości powietrza o masie dm powstał ładunek dQ jonów jednego znaku, to dawką ekspozycyjną X nazywamy stosunek:

gdzie dQ jest bezwzględną wartością sumy ładunków jonów jednego znaku wytworzonych w warunkach równowagi elektronowej, tzn. gdy wszystkie jony dodatnie i elektrony wytworzone w elemencie objętości o masie dm w nim pozostają.

Jednostką dawki ekspozycyjnej jest w układzie SI kulomb na kilogram (C/kg).

Należy podkreślić, że jednostka ekspozycji rentgen odnosi się tylko do promieniowania X lub γ (a nie promieniowania alfa, beta, neutronowego) i dotyczy tylko fotonów w powietrzu  (i w żadnym innym ośrodku). Ponadto użycie rentgena jest ograniczone do energii fotonów większej od 10 keV i mniejszej od 3 MeV.

Z jednostką dawki ekspozycyjnej związana jest jednostka mocy dawki ekspozycyjnej () - jest to ilość ładunku jednego znaku w jednostce masy suchego powietrza wytworzona wskutek jonizacji promieniowania X lub γ w jednostce czasu, czyli

Jednostka mocy dawki ekspozycyjnej wyrażana jest w A/kg = amper/kilogram (w powietrzu).

W ostatnich czasach dawka ekspozycyjna jest coraz rzadziej wykorzystywana w praktyce dozymetrycznej; zamiast niej używa się pojęcia dawki pochłoniętej.

---

Ad. 2b. Dawka pochłonięta, (D), (ang. Absorbed dose) - energia promieniowania przenikliwego pochłonięta przez określoną, jednostkową masę materii:

,

gdzie: dE jest średnią energią promieniowania jonizującego przekazaną materii w elemencie objętości o masie dm, czyli jest to energia, jaką traci promieniowanie a pochłania ośrodek, przez który promieniowanie przechodzi, która przypada na jednostkę masy tego ośrodka. Dawka pochłonięta jest miarą pochłaniania promieniowania przez różne materiały.

Jednostką dawki pochłoniętej w układzie SI jest grej (Gy).

1 Gy = 1 J/kg = dżul/kilogram

Przekazana energia promieniowania jonizującego jest zużywana na jonizację, wzbudzenie, wzrost energii chemicznej lub energii sieci krystalicznej, itd., która ostatecznie daje efekt cieplny: wzrost energii wewnętrznej. Z definicji wyklucza się energię zużytą na wzrost masy spoczynkowej lub zamienionej na promieniowanie jonizujące.

Najwygodniej za energię przekazaną materii uważać energię usuniętą z pola promieniowania (z wyłączeniem energii zużytej na wzrost masy spoczynkowej).

ΔE_D=ΔE_E - ΔE_L- ΔE_R  energia przekazana małej objętości ΔV
ΔE_E  - energia wchodząca do objętości ΔV
ΔE_L - energia wychodząca z objętości ΔV
ΔE_R - energia zamieniona w masę spoczynkową w ΔV
Δm - masa zawarta w ΔV
wówczas dawkę pochłoniętą określimy jako

Przykład: pochłonięcie 1 Gy w węglu odpowiada 2·10¹¹ kwantów gamma (γ) o energii 1 MeV.

Dawkę pochłoniętą w jednostce czasu nazywa się mocą dawki (), czyli inaczej jest to energia promieniowania jonizującego pochłonięta przez określoną, jednostkową masę materii w jednostce czasu:

Jednostką mocy dawki pochłonietej jest:

Gy/s = grej/sekunda

1 Gy/s= W/kg = wat/kilogram

W starych jednostkach moc dawki pochłoniętej była wyrażana zazwyczaj w radach na godzinę.

Moc dawki na poziomie 2 mGy/rok (0,2 rad/rok) jest typowa dla tła naturalnego. W terapii nowotworowej chora tkanka zabijana jest dawką (aplikowaną miejscowo) 0,1 kGy (10 krad ), dawki pochłonięte niszczące strukturę materiałów są rzędu od dziesiątek MGy (Grad ) do dziesiątek GGy (Trad).

W przypadku organizmów żywych bardziej adekwatnym pojęciem niż dawka pochłonięta jest równoważnik dawki, który jest szczególnie użyteczny dla celów ochrony radiologicznej.

---

Ad. 2c. Równoważnik dawki (nazwa zalecana od 1991 r. wg publikacji ICRP 60), dawka równoważna (starsze pojęcie z 1977 r. wg publikacji ICRP 26), biologiczny równoważnik dawki (H_T), (ang. equivalent dose (ICRP 60), dose equivalent (ICRP 26)) jest to dawka pochłonięta w danej tkance lub narządzie T z uwzględnieniem skutków biologicznych wywołanych przez różne rodzaje promieniowania R. Dawka równoważna określona jest równaniem::
 

H_T,R = w_RD_T,R ,
 

gdzie:
D_T,R oznacza średnią dawkę pochłoniętą promieniowania R w tkance lub narządzie T.
w_R oznacza współczynnik wagowy promieniowania R (jest to czynnik jakości promieniowania zależny od rodzaju i energii promieniowania; uwzględnia wielkość niszczącego wpływu biologicznego na tkankę promieniowania określonego rodzaju; w przeszłości (ICRP 26 z 1977 r.) posługiwano się współczynnikiem Q (ang. quality factor); wartość tego współczynnika może być nieco różna w różnych krajach w zależności od arbitralnych regulacji prawnych w danym kraju).
 

Tabela 3. Wartości w_R dla rodzajów promieniowania i zakresów energii zalecana przez ICRP 60 (International Commission on Radiological Protection publication 60).

Promieniowanie w postaci cząstek powoduje większe uszkodzenia w tkance biologicznej, niż promieniowanie fal elektromagnetycznych w odniesieniu do takiej samej porcji energii zaabsorbowanej przez materiał biologiczny. Generalnie promieniowanie bardziej przenikliwe zwykle jest równocześnie mniej jonizujące, zatem zdolność do jonizacji rośnie, a przenikliwość maleje w szeregu γ, X, β, α (oczywiście dokładne zdolności co do jonizacji i przenikliwości będą też zależały od energii, jaką ze sobą niosą dane cząstki lub promieniowanie elektromagnetyczne). Wynika z tego, że promieniowanie alfa (jądra helu) chociaż mało przenikliwe (zatrzymywane przez kartkę papieru) będzie bardzo szkodliwe w przypadku dostania się do wnętrza organizmu lub ew. bezpośrednio na skórę.

Jeśli pole promieniowania składa się z różnych rodzajów promieniowania o różnych energiach, którym odpowiadają różne współczynniki wagowe w_R, to całkowity równoważnik dawki H_T jest dana jako:
 

 
 

Jednostką dawki równoważnej w układzie SI jest siwert (Sv). Jeden siwert odpowiada jednemu dżulowi na kilogram:

1Sv = 1 J/kg= dżul/kilogram

Jednostka 1Sv dowolnego promieniowania jądrowego odpowiada takiej dawce pochłoniętej przez organizm, która wywołuje w nim skutek biologiczny taki, jak dawka pochłonięta równa 1Gy promieniowania X lub gamma, dla których w_R=1. Nie wszystkie organy i narządy są jednakowo wrażliwe na promieniowanie. Wymaga to stosowania odpowiednich poprawek przy prawidłowym obliczaniu dawki. Dodatkowe poprawki należy uwzględniać również w przypadku wewnętrznych skażeń promieniotwórczych, które rozmieszczają się w organizmie w sposób niejednorodny. W przypadku napromieniowania pochodzącego od różnych cząstek, dawka całkowita jest sumą dawek wyrażonych w sivertach. Przy napromieniowaniu mającym miejsce w dłuższym okresie czasu należy posługiwać się pojęciem mocy równoważnika dawki,  którą wyraża się w Sv/h lub w starszych jednostkach rem/h.

---

Moc równoważnika dawki ():

jest to równoważnik dawki pochłonięty w jednostce czasu. Najczęściej przyjmuje się wartość dla całego ciała, przy napromienianiu zewnętrznym określonym rodzajem promieniowania, w związku z przebywaniem w miejscu występowania promieniowania. Pomiar mocy dawki służy określeniu dopuszczalnego czasu przebywania w takim miejscu.

Jednostką mocy równoważnika dawki () jest siwert/sekunda, Sv/s.

1 Sv/s = W/kg = wat/kilogram

Szkodliwe następstwa promieniowania zależą także od tego, czy napromienieniu poddane zostało całe ciało, czy konkretne narządy.

Przy napromienieniu całego ciała lub kilku narządów posługujemy się pojęciem dawki skutecznej.

---

Dawka skuteczna, dawka efektywna (dawna nazwa: skuteczna dawka równoważna), (E_H), (ang. Effective dose), suma wszystkich dawek równoważnych od napromieniowania zewnętrznego i wewnętrznego we wszystkich tkankach i narządach wymienionych w Tabeli 5. z uwzględnieniem odpowiednich współczynników wagowych narządów lub tkanek, obrazująca narażenie całego ciała, zdefiniowana  wyrażeniem:
  

Sumowanie przeprowadza się po rodzajach pochłoniętego promieniowania i po rodzajach napromienionych tkanek.

D_T,R oznacza dawkę pochłoniętą od promieniowania R, uśrednioną w tkance lub narządzie T;
w_R oznacza współczynnik wagowy promieniowania R;
w_T jest współczynnikiem wagowym narządu lub tkanki T (współczynnik określający wrażliwość tkanki lub narządu T na promieniowanie; wartość tego współczynnika może być nieco różna w różnych krajach w zależności od arbitralnych regulacji prawnych w danym kraju).
Jednostką dawki skutecznej jest siwert (Sv).

Zalecana wartość graniczna dawki skutecznej powyżej naturalnego tła promieniowania dla całego ciała dla ogółu ludności (z wyłączeniem osób zawodowo narażonych na napromieniowanie, ktorzy mają odrębne normy w pracy) jest ustalona na 1 mSv/rok. Jest to poziom ponad dwukrotnie niższy od naturalnej dawki w Polsce i blisko 500 razy niższy od naturalnych dawek otrzymywanych przez ludność Iranu.

Zalecana godzinna wartość graniczna dawki skutecznej dla ogółu ludności wynosi 0,02 mSv/h (ze źródeł zewnętrznych, na obszarach ogólnodostępnych).

 Dawka skuteczna obrazuje całkowite narażenie organizmu przy nierównomiernym naświetleniu narządów lub tkanek.

Tabela 5.  Wartości współczynnika wagowego w_T dla tkanek człowieka zalecana przez ICRP 60 (International Commission on Radiological Protection publication 60).

W przypadku dostania się radionuklidów do wnętrza organizmu, zaabsorbowane radionuklidy są w dalszym ciągu źródłem dawki promieniowania (do czasu ich rozpadu bądź usunięcia z organizmu), nawet gdy już żadne nowe porcje radionuklidów nie dostają się do wnętrza organizmu. W celu oszacowania tego rodzaju zagrożenia wprowadzono pojęcie równoważnej dawki obciążającej i skutecznej dawki obciążającej.

---

Równoważna dawka obciążająca  H_T(τ): (ang. Committed equivalent dose) - całka względem czasu t z mocy dawki równoważnej w tkance lub w narządzie T otrzymanej w wyniku wniknięcia do organizmu substancji promieniotwórczej, zdefiniowana jako:

dla wniknięcia w chwili t₀, gdzie
oznacza moc dawki równoważnej w narządzie lub w tkance T w chwili t;
t oznacza okres objęty całkowaniem.
Przy wyznaczaniu H_T(τ),τ jest podane w latach. Jeżeli wartość τ nie jest podana, to zakłada się, że wynosi ona 50 lat dla dorosłych pracujących w zagrożeniu promieniowaniem oraz 70 lat dla reszty populacji.
Jednostką równoważnej dawki obciążającej jest siwert (Sv)

---

Skuteczna dawka obciążająca, (dawniej skuteczna równoważna dawka obciążająca)  E_H(τ): (ang. Committed effective dose) suma równoważnych dawek obciążających H_T(τ) w pojedynczych narządach lub tkankach, będąca wynikiem wniknięcia substancji promieniotwórczych od organizmu, przy czym każdy składnik sumy jest pomnożony przez odpowiedni współczynnik wagowy tkanki w_T. Jest to wielkość zdefiniowana jako:

Przy wyznaczaniu E(τ) wielkość τ oznacza liczbę lat okresu objętego całkowaniem. τ wynosi 50 lat dla pracowników pracujących z materiałami promieniotwórczymi i 70 lat dla ogółu populacji. Jednostką skutecznej dawki obciążającej jest siwert (Sv) .

Skuteczna dawka obciążająca obrazuje napromienienie tkanki z wielu źródeł wewnętrznych po wchłonięciu do organizmu substancji promieniotwórczych w określonym czasie.

---

Kerma K (Kinetic Energy Released per unit Mass) jest zdefiniowana jako:

gdzie dE_tr jest sumą początkowych energii kinetycznych wszystkich naładowanych cząstek uwolnionych przez nienaładowane cząstki w masie dm. Ośrodek powinien zawsze zostać określony.

Kerma opisuje energię zdeponowaną przez naładowane cząstki uwolnione poprzez promieniowanie powodujące jonizację pośrednio takie jak fotony i neutrony. 

Jednostką kermy jest grej (Gy) = J kg^-1

---

Tabela 6. Wybrane wielkości dozymetryczne, ich jednostki i przeliczniki.

Omówiono w niniejszym artykule tylko wybrane wielkości związane z dozymetria. ICRU definiuje również m.in. takie wielkości dozymetryczne jak fluencja cząstek, fluencja energii, gęstość strumienia cząstek, natężenie, moc kermy, masowy współczynnik osłabienia, masowy współczynnik przekazu energii, liniowy przekaz energii, średnia praca jonizacji, stała jonizacyjna (dla promieni gamma) i in.

 Podsumowując "dawka ekspozycyjna jest miarą jonizacji powietrza przez promieniowanie X i γ, zaś dawka pochłonięta jest miarą pochłaniania energii promieniowania przez ośrodek, w którym promieniowanie się rozchodzi. Znając dawkę ekspozycyjną i wiedząc, że na utworzenie jednej pary jonów potrzeba 34eV można obliczyć energię, jaka - w wyniku jonizacji - została pochłonięta w powietrzu, czyli dawkę pochłoniętą. W ten sposób obliczono, że dawce ekspozycyjnej równej 1 rentgen odpowiada dawka pochłonięta w powietrzu 0,87 cGy" (0,87 rad) i 0,95 cGy (0,95 rad) w tkance mięśniowej.
"Z kolei równoważnik dawki jest to iloczyn dawki pochłoniętej w tkance i współczynnika jakości promieniowania. Z fizycznego punktu widzenia dobrym modelem tkanki jest woda. Znając energię pochłoniętą w powietrzu, można obliczyć energię pochłoniętą w wodzie. Zatem dawce ekspozycyjnej 1 R odpowiada dawka pochłonięta 0,87·1,13=1cGy, a jej z kolei równoważnik dawki 1 rem =10 mSv. Dawce pochłoniętej w powietrzu 0,087 cGy odpowiada równoważnik dawki 1 mSv."

W bardzo dużym przybliżeniu dla źródeł promieniowania beta, gamma i X można niejednokrotnie przyjąć, że 1R ≈ 1 rad ≈ 1 rem = 10 mSv

---

Skutki biologiczne oddziaływania promieniowania

"U podstaw szkodliwego oddziaływania promieniowania jądrowego na organizm ludzki leżą procesy jonizacji zachodzące w komórkach organizmu pod wpływem promieniowania. Cząstki naładowane oddziaływując z tkankami organizmu, powodują jonizację bezpośrednio, natomiast cząstki nienaładowane (neutrony, kwanty gamma) w wyniku oddziaływania powodują powstanie cząstek naładowanych (p, e), które następnie wywołują jonizację. Neutrony szybkie powodują powstanie w substancji protonów, a neutrony termiczne wywołują w substancji reakcje jądrowe, w wyniku których powstają fotony, cząstki naładowane i jądra promieniotwórcze. Jonizacja może naruszać istotną strukturę komórki lub może oddziaływać pośrednio poprzez reakcje chemiczne, które zapoczątkowuje. W drugim przypadku podstawowe znaczenie ma zapoczątkowane przez jonizację zjawisko radiolizy wody  (zawartość wody w organizmie człowieka wynosi około 70%)  prowadzące do pojawienia się wysoce aktywnych chemicznych rodników  i . Ich obecność może spowodować zaburzenia przemian metabolicznych organizmu (czynności enzymatycznych, syntezy białek itp.). Komórka reaguje na promieniowanie różnie w różnych okresach swego rozwoju, najłatwiej ulegając uszkodzeniu we wczesnych fazach."

Istnieje pojęcie toksyczności określonego typu cząstki radioaktywnej. Toksyczność takiej cząstki wzrasta z liniowym przekazem energii, LPE i tym większa, im więcej par jonów produkuje ona na danym odcinku swojej drogi w ciele. Nawet jeśli dwa różne rodzaje cząstek naładowanych wytwarzają te same dawki w radach, to mogą one mieć różne radiotoksyczności jeśli ich LPE są różne, gdyż  toksyczność zależy od rozkładu jonizacji wzdłuż trajektorii cząstek. Współczynnik wagowy promieniowania w_R  stosowany w definicji równoważnika dawki zazwyczaj wzrasta ze wzrostem LPE, stąd Sv (dawniej rem) jest jednostką uwzględniającą stopień toksyczności promieniowania.

  Można wyróżnić trzy rodzaje efektów działania biologicznego promieniowania:

1. "Efekty somatyczne - polegają na uszkadzaniu radiacyjnym komórek podtrzymujących procesy życiowe; mogą one przejawiać się wprost w ciele napromieniowanego osobnika po kilku minutach lub tygodniach, a nawet później - po latach. Związane są one z pewną progową liczbą aktów jonizacji, powyżej której komórka nie jest już zdolna do regeneracji. Największą rolę odgrywają tutaj ciężkie cząstki naładowane.
2. Efekty genetyczne - występują przy uszkodzeniach komórek odpowiedzialnych za przekazywanie cech dziedzicznych; przejawiają się one statystycznie w całej populacji.
3. Efekty spowodowane uszkodzeniami radiacyjnymi płodu - uszkodzają embrion we wczesnym stadium rozwoju; wskutek takich uszkodzeń mogą pojawiać się różne zwyrodnienia organizmów."

Większość efektów popromiennych u istot żywych ujawnia się dopiero po pewnym czasie, tzw. okresie utajenia.

"W przypadku komórek somatycznych działają mechanizmy naprawcze, po pewnym czasie uszkodzone cząsteczki mogą zostać usunięte i zastąpione nową cząsteczką. Natomiast fatalne konsekwencje są w przypadku komórek rozrodczych, skutki modyfikacji są utrwalone, nieodwracalne."

Ponadto wyróżniamy skutki stochastyczne i niestochastyczne promieniowania:

Skutki stochastyczne są skutkami, które pojawiają się na zasadzie przypadkowej i są niezależne od wielkości dawki. Skutek stochastyczny typowo nie ma określonego progu i jest oparty na prawdopodobieństwie, z szansami pojawienia się skutku wraz ze zwiększaniem dawki. Skutkiem stochastycznym oddziaływania promieniowania są nowotwory.

Skutki niestochastyczne są skutkami, które mogą być odniesione bezpośrednio do otrzymanej dawki. Skutek jest bardziej ciężki, gdy dawka jest większa, czyli. oparzenia popromienne są cięższe wraz ze zwiększaniem dawki. Zwykle określa się próg poniżej którego dany skutek nie występuje. Poparzenie skóry wywołane promieniowaniem jest skutkiem niestochastycznym.

Tabela 7. Zasięgi promieniowania w tkance. Dla neutronów podano wartość średniej drogi swobodnej między kolejnymi oddziaływaniami. Wielkość 1/µ dla fotonów ma podobny sens.

"Całkowita dawka zakumulowana w okresie pracy przez pracownika mającego N lat narażonego na wpływ promieniowania jonizującego nie powinna przekroczyć w całym ciele wartości równej:

H_T = 5 ( N - 18 )

Odpowiada to rocznemu przyrostowi dawki 0,05 Sv. Dla porównania warto dodać, że od promieniowania kosmicznego i naturalnego promieniowania skorupy ziemskiej organizm człowieka zwykle otrzymuje roczną dawkę od 2 do 4 mSv." Średnio na mieszkańca Ziemi wynosi ona 2,4 mSv rocznie.

Tabela 8. Dawki pochłonięte powodujące śmierć 50% napromieniowanych organizmów w ciągu 30 dni. 

Tabela 9.  Biologiczne równoważniki dawki i odpowiadające im skutki wywołane przy jednorazowym napromieniowaniu całego ciała.

"Napromieniowanie miejscowe stosunkowo dużymi dawkami jest mniej niebezpieczne niż napromieniowanie całego organizmu. Podobnie napromieniowanie mające miejsce w ciągu długiego czasu jest mniej szkodliwe niż napromieniowanie jednorazowe tą samą dawką.

Podstawowe zasady ochrony radiologicznej

 Skutki wywołane promieniowaniem jonizującym są tym mniejsze im:

• krócej znajdujemy się w polu promieniowania
• dalej przebywamy od źródła promieniowania (10 razy dalej 100 razy bezpieczniej)
• grubszą osłoną oddzielamy się od źródła promieniowania
• mniej aktywne jest źródło promieniowania." 

W ochronie radiologicznej ważną zasadą jest zasada ALARA, (As Low As Reasonably Achievable), która mówi o tym, że należy poczynić wszelkie niezbędne rozsądne kroki, aby utrzymać ekspozycję na promieniowanie daleko poniżej limitów.

---

Źródła promieniowania dla ogółu populacji

Promieniowanie tła

Część rocznej ekspozycji na promieniowanie pochodzi z promieniowania tła, na które składają się:

• Promieniowanie kosmiczne (0,27 mSv). Wartość zazwyczaj rośnie wraz ze zwiększaniem wysokości n.p.m.
• Skały i gleba (0,28 mSv). Wartość może być bardzo różna w zależności od regionu świata.
• Z wnętrza naszego ciała (0,40 mSv). Większość pochodzi od potasu-40 i węgla C-14; ok. 0.02% naturalnego potasu występuje w postaci radioaktywnego nuklidu ⁴⁰K (ok. 2,7 g dla osoby ważącej 70 kg).

"Na początku lat 60-tych w Polsce roczna dawka promieniowania jonizującego ze źródeł naturalnych, promieniowania działającego na gonady, określana była na 0,8 do 1,8 mSv ( Z. Jaworowski: Radioaktywność a zdrowie ludzkie. PWN, Warszawa,1964). Na powyższą dawkę składało się oddziaływanie promieniowania kosmicznego (0,23 -  0,73 mSv/a), promieniowanie podłoża (0,25 - 0,75 mSv/a) oraz inkorporacja poprzez produkty spożywcze i powietrze atmosferyczne - promieniowania potasu K-40 (19 mSv/a), węgla C-14 (12,7 mSv/a) oraz radu Ra-226 (0,07 mSv/a). Według danych statystycznych [Ochrona Środowiska. Dział 6. Promieniowanie jonizujące. Hałas. GUS, Warszawa, 1994.] średnia wartość efektywnego równoważnika dawki promieniowania, otrzymywanego przez mieszkańców Polski w roku 1992, wynosiła 3,6 mSv/a. Składowe dawki promieniowania przedstawia Tabela 10. Uwagę zwraca wysoka dawka promieniowania wewnątrz budynków (1,58 mSv/a) powodowana głównie przez radon-222 i jego pochodne (Po-218, Po-214, Pb-210, Bi-210 i Po-210), których źródłem są materiały budowlane oraz gaz ziemny i woda."

 Tabela 10. Wartości średnich rocznych dawek skutecznych w roku 1992 [Ochrona Środowiska. Dział 6. Promieniowanie jonizujące. Hałas. GUS, Warszawa, 1994.]

Tabela 11. Wartość średniej rocznej dawki skutecznej otrzymanej przez jednego mieszkańca z tytułu stosowania diagnostyki rentgenowskiej (w źródle nie podano daty z jakiej pochodzą te dane, wg danych z Tabeli 10. diagnostyka rentgenowska w Polsce jest źródłem 0,78 mSv).

Tabela 12. Średnie roczne wchłonięcia z pożywieniem naturalnych izotopów promieniotwórczych.

"Po awarii czarnobylskiej szczególną uwagę zwrócono na izotopy promieniotwórcze cezu. W pierwszym roku po awarii w rejonie północno-wschodniej Polski roczne wchłonięcie ¹³⁷Cs ocenione na podstawie analizy produktów żywnościowych wynosiło około 8000 Bq, natomiast ¹³⁴Cs - około 3000 Bq . Badania kontynuowano do roku 1992. W tym czasie wchłonięcia zmniejszały się wykładniczo, półokres dla ¹³⁷Cs wynosił 1,72 lat, a dla ¹³⁴Cs - 0,97 lat. Według ocen przeprowadzonych w roku 1993, średnia roczna podaż ¹³⁷Cs wynosiła 518 Bq i pozostawała na podobnym poziomie do 1998 roku .

Na podstawie średnich rocznych wchłonięć izotopów naturalnych przez dorosłych mieszkańców Polski obliczono roczne dawki skuteczne. Do obliczeń zastosowano współczynniki konwersji, określające dawkę pochodzącą od jednostkowego wchłonięcia radionuklidu drogą pokarmową podaną w Publikacji 67 ICRP (1994) oraz w Publikacji 69 ICRP [1995] (Tabela 13.). Roczna dawka skuteczna od omawianych naturalnych izotopów promieniotwórczych wynosi 90,0 µSv. Dawka ta jest prawie dwukrotnie większa od dawki od ⁴⁰K obecnego w ciele osób dorosłych (165 µSv) i jest ona porównywalna z dawką od ^134,137Cs w pierwszym roku po awarii czarnobylskiej."

Tabela 13. Średnie roczne dawki skuteczne od naturalnych izotopów promieniotwórczych pobieranych z pożywieniem przez dorosłych mieszkańców Polski, .

Tabela 14. Stężenia radionuklidów ciężkich w skałach (wartości średnie) Polański, Smulikowski: Geochemia, PWN, Warszawa, 1969

W ciągu 70 lat życia średnia życiowa dawki naturalna promieniowania wynosi 168 mSv. W niektórych regionach świata dawka znacznie odbiega od średniej, w Norwegii średnia dawka życiowa wynosi 365 mSv (w niektórych Regionach Norwegii  1500 mSv), w Finlandii 525 mSv, w stanie Kerala w Indiach 2000 mSv, w Iranie poziom promieniowania naturalnego przekracza 3000 mSv w ciągu 70 lat, a w mieście Ramsar grupa mieszkańców otrzymuje średnią naturalną dawkę życiową promieniowania wynoszącą 17000 mSv. Jednakże mieszkańcy ci nie wykazują zwiększonej zachorowalności na nowotwory i inne dolegliwości, a niektórzy osiągnęli wiek 110 lat – patrz hipoteza hormezy radiacyjnej.

Andrzej Kasperowicz
mineraly.listowner+1@gmail.com

05-09-2003

Literatura

• Zbiór dokumentacji w PDF odnośnie promieniowania i dozymetrii, m.in. Concepts and Quantities for Radiological Protection
• 1990 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection (ICRP Publication 60)
• Concepts for Radiation Dosimetry and Health Protection
• Radiation Standards and Organizations: A Historical Perspective
• Radon... groźniejszy niż Czernobyl?
• Encyklopedia Wiem
• Radioaktywność - jednostki i definicje: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30
• Wykład z dozymetrii
• Dozymetria
• Hormeza radiacyjna
• Ochrona radiologiczna
• Czarnobyl - katastrofa - referat
• Technika w medycynie (m.in. medycyna nuklearna; RTG)
• Radioekologia. Skutki biologiczne promieniowania jonizującego
• Kryteria radiologiczne w ocenie terenu pod budownictwo
• Promieniowanie kosmiczne
• Promieniotwórczość naturalna
• Tabela typowych dawek promieniowania
• Promieniowanie wokół nas
• Skuteczna dawka obciążająca
• Nadzwyczajne zdarzenia radiacyjne
• Health Effects of Exposure to Low Levels of Ionizing Radiation: BEIR V (1990)
• Ask the Experts
• Nuclear History
• Background Radiation in US
• Metrologia: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12